Synteza zeolitów metodą ADOR (Montaż-Demontaż-Organizacja-Ponowny Montaż)

Ogólnym celem tego filmu jest zaprezentowanie metody montaż-demontaż-organizacja-remontaż (assembly-disassembly-organization-reassembly, ADOR) służącej do otrzymywania nowych materiałów zeolitowych poprzez rozkład wcześniej zsyntetyzowanego zeolitu na jego komponenty, a następnie ich organizację i ponowne złożenie w inny sposób w celu utworzenia nowych materiałów. Zeolity są niezwykle istotnymi ciałami stałymi, które znajdują zastosowanie w wielu gałęziach przemysłu – od katalizatorów w rafineriach ropy naftowej po powłoki antybakteryjne na urządzeniach medycznych. Metoda ADOR otrzymywania zeolitów znacząco różni się od tradycyjnych metod syntezy zeolitów.

W konsekwencji różnią się również rodzaje materiałów, które możemy przygotować. Otwiera to wiele możliwości dla nowych zastosowań. W tym filmie pokażemy, jak przygotować dwa nowe zeolity o różnych rozmiarach porów: IPC-4 o najmniejszym rozmiarze porów oraz większy, IPC-2.

Aby przygotować macierzysty zeolit germanowy-UTL, najpierw rozpuść 1,08 g dwutlenku germanu w 15 ml roztworu czynnika kierującego strukturą. Do roztworu dodawaj partiami 1,246 g pirolitycznego dwutlenku krzemu i mieszaj przez kolejne 30 minut, aż powstanie jednorodny roztwór. Przenieś otrzymany żel do autoklawu z wkładem z politetrafluoroetylenu.

Następnie umieścić go w piecu i ogrzewać w temperaturze 175 °C przez 10 dni. Po 10 dniach wyjąć autoklaw z pieca i pozwolić mu naturalnie ostygnąć do temperatury pokojowej. Biały produkt zeolityczny odzyskać poprzez filtrację.

Przemyć obfitymi ilościami wody przed suszeniem zeolitu w temperaturze 70 °C przez noc. Usunąć czynnik strukturotwórczy z porów zeolitu poprzez ogrzewanie zeolitu do 550 °C z szybkością 1 °C na minutę, a następnie utrzymywanie temperatury 550 °C przez sześć godzin przed ochłodzeniem do temperatury pokojowej z szybkością 2 °C na minutę. Wykonać dyfrakcję rentgenowską proszku, aby potwierdzić strukturę zgodnie z protokołem producenta.

Przechowywać kalcynowany zeolit w suchej, obojętnej atmosferze, aby zapobiec hydrolizie materiału. W celu rozkładu zeolitu macierzystego, poddać germanosilikat UTL hydrolizie w celu otrzymania IPC-1P, dodając 1 gram kalcynowanego zeolitu do 160 mililitrów 0,1 molarnego roztworu kwasu solnego. Po ogrzewaniu mieszaniny w temperaturze 95 °C przez 18 godzin, schłodzić ją do temperatury pokojowej i odzyskać ciało stałe poprzez filtrację przy użyciu papieru filtracyjnego.

Przemyj ciało stałe obfitymi ilościami wody i susz w temperaturze 70 °C przez noc. Ostatnie kroki polegają na uporządkowaniu i ponownym wprowadzeniu IPC-1P do nowych zeolitów. Aby przygotować zeolit IPC-4, umieść 0,5 g IPC-1P w tyglu ceramicznym.

Ogrzej próbkę do 575 °C z prędkością grzania 1 °C na minutę. Następnie utrzymuj temperaturę 575 °C przez sześć godzin, a potem schłodź do temperatury pokojowej z prędkością 2 °C na minutę. Wykonaj pomiar widma dyfrakcji rentgenowskiej proszku, aby potwierdzić strukturę, zgodnie z protokołem producenta.

Aby przygotować zeolit IPC-2, należy dodać 0,5 g IPC-1P do 10 ml 1,0 M roztworu kwasu azotowego. Następnie do roztworu należy dodać 0,1 g dietoksymetylosilanu. Przenieś roztwór do autoklawu z wkładką z politetrafluoroetylenu.

Następnie ogrzewać w piecu w temperaturze 175 °C przez 18 godzin. Wyjąć autoklaw z pieca i pozwolić mu naturalnie ostygnąć do temperatury pokojowej. Odzyskać biały produkt poprzez filtrację, przemyć go obfitą ilością wody i suszyć w temperaturze 70 °C przez noc.

Umieść produkt w tyglu ceramicznym i podgrzej zgodnie z protokołem grzania i chłodzenia. Następnie wykonaj widmo dyfrakcji rentgenowskiej proszku, aby potwierdzić strukturę, stosując się do protokołu producenta. Przygotowanie IPC-4 rozpoczyna się od zmontowanego wcześniej germanowego UTL.

Ekspozycja na 0,1 M roztwór kwasowy prowadzi do rozpadu, w wyniku czego powstaje IPC-1P. Warstwy IPC-1P są następnie organizowane w korzystną orientację. Na tym etapie warstwy są ponownie składane w zeolit poprzez kondensację, tworząc IPC-4.

Przedstawiono tutaj ogólny proces przygotowania IPC-2. Ekspozycja na 0,1 M roztwór kwasowy prowadzi do powstania IPC-1P, podobnie jak poprzednio. Następnie między warstwy otrzymanego IPC-1P wprowadza się dodatkowe formy krzemu w celu uporządkowania układu.

Następnie warstwy są ponownie łączone w zeolit poprzez kondensację w celu utworzenia IPC-2. Różnica między końcowymi materiałami IPC-2 i IPC-4 polega na wielkości ich porów, co wynika z wprowadzenia dodatkowego krzemu pomiędzy warstwy. Różnica między obiema strukturami jest widoczna na dyfraktogramach rentgenowskich.

Najintensywniejszy piki dla IPC-2 znajduje się przy niższym kącie 2-theta niż dla IPC-4, co wskazuje na większą komórkę elementarną. Inne techniki, takie jak eksperymenty z adsorpcją azotu, mogą również służyć do zobrazowania różnic w wielkości porów między materiałami. IPC-4 wykazuje niższą pojemność adsorpcyjną dla azotu niż IPC-2, natomiast macierzysty zeolit UTL posiada najwyższą pojemność dla azotu.

Po opanowaniu, proces ten stanowi niezawodną i ogólną metodę otrzymywania zeolitów. Modyfikacje tej procedury, opisane w literaturze, mogą prowadzić do powstania innych zeolitów, takich jak IPC-6, IPC-7, IPC-9 i IPC-10. Po opracowaniu, technika ta utorowała drogę badaczom zajmującym się zeolitami do eksploracji syntezy materiałów, które wcześniej uważano za niemożliwe do otrzymania.

Takie prace otwierają ogromne możliwości przygotowania zeolitów o nowych typach struktury, które, jak mamy nadzieję, w przyszłości umożliwią nowe zastosowania. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo mieć dobrą wiedzę na temat przeprowadzania procesu ADOR i dzięki niewielkiej praktyce będą Państwo w stanie wprowadzić modyfikacje opisane w opublikowanej literaturze, aby otrzymać wszystkie inne możliwe zeolity. Głównymi zaletami tej techniki są pełna przewidywalność końcowych materiałów oraz możliwość kontrolowania porowatości otrzymanego ciała stałego w sposób nieosiągalny w tradycyjnej syntezie zeolitów.

Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą napotykają trudności, ponieważ jest ona sprzeczna z powszechnymi założeniami. Zamiast budować materiał od podstaw, najpierw poddaje się go demontażowi, a następnie odbudowuje w celu uzyskania materiału o nowej strukturze.