Протокол для получения новых цеолитов по ADOR (A ssembly- D isassembly- O rganization- R eassembly) синтетический путь представлен.
Методическая статья
Протокол для получения новых цеолитов по ADOR (A ssembly- D isassembly- O rganization- R eassembly) синтетический путь представлен.
Цеолиты являются важным классом материалов, которые имеют широкий спектр применения, такие как гетерогенные катализаторы и адсорбенты, которые зависят от их структурной топологии. Для новых применений или усовершенствования существующих желательны новые цеолиты с новыми системами пор. Мы демонстрируем метод синтеза новых цеолитов с использованием пути ADOR. ADOR — это аббревиатура от Assembly, Disassembly, Organization and Reassembly. Этот синтетический способ использует преимущества сборки относительно плохо стабильного материала, который может быть выборочно разобран в слоистый материал. Полученный слоистый промежуточный продукт может быть затем организован различными способами с помощью тщательных химических манипуляций, а затем снова собран в цеолиты с новыми топологиями. Тщательно контролируя организационный этап синтетического пути, новые цеолиты с невиданными ранее топологиями могут быть синтезированы. Структура этих новых цеолитов подтверждена с помощью порошковой рентгеновской дифракции и дополнительно охарактеризована адсорбцией азота и сканирующей электронной микроскопией. Этот новый путь синтеза цеолитов демонстрирует его способность производить новые структуры, которые никогда не были получены традиционными методами синтеза цеолита.
Цеолиты представляют собой класс твердых веществ, которые состоят из трехмерного открытого расположения угловых обмена тетраэдров, где катион металла (обычно кремний и алюминий) в центрах тетраэдрической окружены 4-оксида анионов. Различные механизмы из этих углу обмена тетраэдров приводят к различным структур цеолита, которые могут обладать широкий спектр пор архитектур. Эти пористые структуры способны воспринимать небольшие молекулы, что приводит к их применения в нефтехимической, ядерных и медицинских областях, среди других. Обратите внимание , что цеолит топологий и материалы приведены коды , которые идентифицируют их топологию (например, UTL) или фактический материал (например, IPC-2) - для получения более подробной информации смотрите на веб - сайте Международной ассоциации цеолитом, www.iza-online.org ,
Принципиальной особенностью цеолитов является их пористость, которая определяет их полезность, с помощью управления суммами и accessibilность внутренней площади поверхности, где большая часть важной химии происходит. Это, в свою очередь, определяет химическую активность и селективность материалов. Одной из главных целей в науке цеолита (да и вообще во всех пористых материалов науки) является контроль пористости.
Цеолиты традиционно синтезированы гидротермальным методом, 1, 2 , которая мало изменилась за последние 50 лет. На самом деле, последние значительные успехи произошли в 1961 году с введением солей четвертичного аммония , как структурообразующий агентов 1 и в 1982 году с открытием , что фосфор может заменить кремний порождая алюмофосфата семейства материалов. 3 Учитывая большую полезность цеолиты, существует большой интерес к разработке новых маршрутов к новым материалам. Такой маршрут является недавно разработанный ADOR стратегия 4 - 7 , где в собранном виде родительский цеолит, затем Disassemblред и результирующие виды Организованный таким образом, чтобы обеспечить окончательное в Повторный монтаж нового твердого вещества. Это делает использование предварительно приготовленного цеолита , который имеет присущую нестабильность , встроенный в ее рамках, которые мы можем использовать. 8 Это плохая устойчивость связана с введением гидролизу германия , который преимущественно размещается в пределах D4R (двойной четыре кольца) единиц, связывают богатые слои смежно двуокиси кремния вместе (рисунок 1). Эти D4R блоки могут быть селективно удалены с использованием относительно мягкого лечения , позволяющую дальнейшие химические манипуляции, выполняемые на промежуточном слоистого материала. 4
Основное различие между традиционным гидротермального синтеза и ADOR является окончательным методом формирования каркаса. В гидротермального синтеза это обратимый процесс позволяет окончательная структура кристаллическим. В процессе ADOR, однако, этап окончательного формирования рамок (сборка) является необратимым соndensation слоев при высокой температуре. Ключ к получению высокой кристаллических итоговых материалов является то шаг организации, где слоистые промежуточные расположены в нужных относительных положениях, чтобы обеспечить необратимый конденсации в новые рамки происходить настолько оптимально, насколько это возможно.
В следующем примере показано , как родительский цеолит, германосиликатное с УТЛ топологией цеолитом, 9, 10 может быть получен (этап Assembly) с использованием предварительно приготовленную органический катион , как структурно-направляющий агент (SDA). Ключ к успеху этого протокола является расположение германия в определенных местах в цеолите, что позволяет родительский ge- УБТ быть разобран и организованы, с помощью гидролиза в кислоте для получения слоистый промежуточного называется IPC-1P. Этот промежуточный продукт можно затем обработать двумя различными способами. Прямая сборка материала IPC-1P при высокой температуре приводит тоа цеолит со структурой IPC-4, чья топология задается ПЦР код Международной ассоциацией цеолитом (ИЗА). Тем не менее, IPC-1P может быть организована по-разному с помощью интеркаляции кремнийсодержащего видов между слоями. Мы называем результат этой манипуляции IPC-2P. Высокотемпературная обработка этого интеркалированном и организованной материала IPC-2Р приводит к новому цеолита под названием IPC-2, топология которого дана ИЗА кода ОКО. Разница между ОКО (МПК-2) и ПЦР (ИПК-4) топологий является то , что IPC-2 содержит диоксид кремния субъединиц (один четыре кольцевых, S4R) между UTL -как слоев , тогда как ИПК-4 не имеет единиц S4R.
Цеолиты характеризуются рентгеновской дифракции, адсорбции N 2 и энергодисперсионным рентгеноструктурного анализа с помощью сканирующего электронного микроскопа.
Внимание: Пожалуйста, обратитесь все соответствующие паспорта безопасности материала (MSDS) и проводить оценку рисков всех процедур перед использованием. Некоторые из химических веществ, используемых в этой процедуре синтеза остро токсичными и канцерогенными. Пожалуйста, используйте все необходимые меры безопасности в течение срока действия этих процедур, включая технические средства контроля (вытяжной шкаф) и средств индивидуальной защиты (защитные очки, лабораторный халат и соответствующий химически стойкие перчатки).
1. Получение структурно-направляющего агента для синтеза UTL
2. Подготовка Родитель Ge-УТЛ цеолитом
3. Гидролиз Ge-UTL к форме IPC-1P
4. Подготовка IPC-4 цеолитом
5. Подготовка IPC-2 цеолитом
Порошковые рентгенограммы модели (рис.2) были собраны для всех материалов , полученных, в том числе фаз промежуточного слоя IPC-1P и IPC-2Р. Порошковая дифракция рентгеновских лучей является основным методом, используемым для определения природы цеолита фаз, присутствующих. Обратите внимание, что кристаллические структуры IPC-1P и IPC-2P не полностью охарактеризованы, как материалы, всегда несколько неупорядоченным. Тем не менее, каждый из порошковой дифракции может быть использован в качестве "отпечатков пальцев" для фазы, представляющей интерес. Наиболее важной особенностью для поиска является положение пиков в образце, который дает информацию о размере элементарной ячейки. Каждый из цеолитов (и промежуточных продуктов ) имеет различный размер элементарной ячейки , и поэтому позиции пиков в каждой собранной дифракционной диагностируют на наличие этой конкретной фазы, и должны соответствовать позиции опорных шаблонов , показанных на рисунке 2. В партилярных положение наиболее интенсивного пика это первое, что нужно искать. Если положение этого основного пика соответствует положению в эталонных моделей, то нужно смотреть, чтобы увидеть, если другие пики также совпадают. Если дифрактометр используется хорошо выровнены и поддерживается этот матч должен быть относительно хорошо. Дополнительные пики , присутствующих в образце рентгеновских дифракционных картин, которые не присутствуют в соответствующем шаблоне на рисунке 2 , показывают , что подготовленный образец не фаза чистой. Интенсивности пиков в дифракционной картине не важны для процедуры идентификации фазы, и они могут отличаться между образцом и эталонных моделей из-за различий в приборном поэтому могут быть проигнорированы. Интенсивности стать лишь важным при заполнении полных структурных исследований с целью получения информации о расположении атомов, что не является необходимым в данном исследовании.
В то время как дифракции рентгеновских лучей является основным метО.Д. структурного анализа, изотерм адсорбции азота (рис 3) также может быть использован для характеристики цеолиты продукта. Этот экспериментальный метод требует, прежде всего, что любые молекулы (как правило, вода), которые присутствуют в порах канала удаляют путем нагревания образца, как правило, под вакуумом. Затем образец охлаждают, обычно до 77 К, а также небольшие количества газообразного азота, вводят в систему и либо гравиметрические или объемные измерения используются для определения того, сколько азота было адсорбируется образцом. Количество адсорбированного азота в виде зависимости от давления газа для получения изотермы , показанные на рисунке 3. Успешный синтез покажет изотермы аналогичной формы на те показано на рисунке 1. В лучших случаях общая сумма , адсорбированных будет наибольшим для образец родительского УБТ, причем сумма была ниже для IPC-2 и самым низким для IPC-4. Это соответствует изменению размеров пор. Из этогоДанные также можно получить участки поверхности с использованием уравнения БЭТ (Таблица 1). 11
Элементный анализ еще один метод, который может быть использован, чтобы определить, в какой степени германий был удален из продукта. Любой подходящий метод химического анализа может быть использован, но мы использовали энергодисперсионным рентгеноструктурного анализа (EDX) с помощью сканирующего электронного микроскопа , чтобы установить состав родительского Ge-УТЛ цеолита и конечные цеолиты IPC-2 и -4 (таблица 1).

Рисунок 1. Предлагаемая схема механизма от родительского цеолита UTL до конечных цеолиты IPC-2 и -4. D4R единица родительского UTL выделена красным цветом. Pсдавать в аренду, нажмите здесь, чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 2. Порошковые рентгенограммы модели материнской 'как производства' и прокаленный УТЛ цеолита (слева) и промежуточных и конечных цеолитами (справа). IPC-2P является продуктом интеркалирования слоистых IPC-1P с DEMDA предварительного обжигу. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.

Рисунок 3. Изотерм адсорбции азота при 77 К для UTL (черный), IPC-2 (синий) и IPC-4 (красный). Изотерма адсорбции показан как незаполненной формы и desorptiна изотерме как заполненную форму. Эта цифра любезно воспроизводится с разрешения Nature Publishing Group из ссылки 4. Пожалуйста , нажмите здесь , чтобы посмотреть увеличенную версию этой фигуры.
| цеолит | BET площадь поверхности (м 2 / г) | Отношение Ge: Si |
| Ge-УБТ | 541,3 ± 1,1 | 5.8 |
| IPC-2 | 334 ± 1,0 | > 500 |
| IPC-4 | 236 ± 0,7 | 90 |
Таблица 1. Значения пористостью и элементный состав цеолитов.
Полное описание фактического механизма процесса ADOR выходит за рамки данной статьи, но можно найти в опубликованных статьях цитируется. 3, 5, 8 Тем не менее, стоит расширение на потенциальной важности процесса. Метод ADOR цеолита препарата значительно отличается от традиционных методов синтеза цеолита в порядке, в котором готовят конечный материал. Наиболее важным следствием этого является то, что материалы, подготовленные с использованием процесса ADOR имеют потенциал, чтобы быть в корне отличается от традиционно сделанных цеолиты. В частности, существует возможность использовать метод ADOR для подготовки материалов, которые энергетически различны. Теория, лежащая это описано в ссылке 8.
Контроль за пористостью является еще одной областью , где метод ADOR показывает различные свойства с традиционными методами. 13 В частности, можно Подготовительномповторно целого ряда цеолитов с непрерывно перестраиваемого пористости, которая до сих пор не было возможно для цеолиты получены с использованием гидротермального синтеза. Модификация, чтобы включить ряд находится в шаге 3 процесса, описанного выше. Путем изменения концентрации используемой кислоты от 0,1 M вплоть до 6 м (и даже за ее пределами) можно адаптировать характер конечного материала. Полная информация о том, как это может быть достигнуто, приводится в качестве ссылки 13. Это и отличная возможность и риск. Иногда , если концентрация кислоты , используемой, температура и время , оставшееся реагировать не являются оптимальными результирующие материалы показывают дифракционную картину , где положение наиболее интенсивного пика не соответствует приведенному на рисунке 2. Тем не менее, в такой ситуации это может быть распознан путем сравнения порошковые рентгенограммы из эксперимента с описанным в ссылке 13.
Критические шаги в протоколе, которые гарантируют, что успешный НУtcome достигается являются те, которые касаются манипуляций. Во-первых, важно, чтобы любые решения в контакте с слоистым промежуточных продуктов не щелочную, так как это способствует растворению кремнезема, особенно при высокой температуре. Во-вторых, необратимая окончательный шаг процесса ADOR является ключевым фактором, и поэтому правильная организация материала (этапы 3.2 и 5.2) имеет решающее значение для успеха процесса. Как было описано выше, время и кислотность являются важными переменными в процессе, и таким образом гарантируя, что эти шаги оптимизированы чрезвычайно важна.
Как описано выше, существует требование, что родительский цеолит германосиликатном с германии, расположенной в определенных местах в структуре. Это позволит ограничить число цеолиты, которые могут быть использованы в качестве родителя. Цеолит УБТ является единственным материалом , который был значительно изучены в качестве одного из родителей. Тем не менее, есть ранние признаки того, что другие родители могли бы быть с успехом аркурсировали к процессу, но требуется дальнейшая работа в этой области.
Для того, чтобы обеспечить метод ADOR работ, большое внимание должно быть принято в манипуляции после разборки шаг, чтобы гарантировать, что слои промежуточной IPC-1P не растворяются или подвергаются существенному перегруппировку. Важно также, чтобы получить кислотность, время и температуру от условий реакции нужных для оптимизации конечных продуктов. Такой точный контроль над условиями реакции может быть довольно запутанным в первую очередь, и является главной движущей силой нашего желания иметь описание видео процедуры.
В заключение, эта процедура описывает , как метод ADOR синтеза цеолита может быть применен к германосиликатные с УТЛ каркасной структуры с образованием двух различных цеолиты, IPC-2 (ОКО) и IPC-4 (ПЦР).
Авторам нечего раскрывать.
R.E.M. благодарит Королевское общество и E.P.S.R.C. (гранты EP/L014475/1, EP/K025112/1 и EP/K005499/1) за финансирование работы в этой области. J.Č. выражает признательность Чешскому научному фонду за проект Центра передового опыта (P106/12/G015) и Седьмую рамочную программу Европейского Союза (FP7/2007--2013) в рамках грантового соглашения No 604307. Авторы выражают благодарность. Хлубне-Элиашовой, В.Й. Роту и. Нахтигаллю за содержательные дискуссии.
| Имя | Компания | Каталожный номер | Комментарии |
|---|---|---|---|
| Гидроксид натрия | Fisher Chemical | S/4920/53 | 99% |
| 1,4-дибромбутан | Aldrich | 140805-500G | 99% |
| (2R,6S)-2,6-диметилпиперидин | Aldrich | 41470-100ML | 99% |
| Парафиновое масло | Fisher Chemical | P/0320/17 | |
| Хлороформ | Fisher Chemical | C/4920/17 | >99% |
| Сульфат натрия (безводный) | Fisher Chemical | S/6600/60 | >99% |
| Диэтиловый эфир | Sigma Aldrich | 24002-2,5L | >99,5% |
| Ambersep 900-OH | Acros Органические вещества | 301340025 | |
| Соляная кислота, 0,1 Н | флюка | 318965-500мл | |
| Фенолфталеин | Сигма Олдрич | 105945-50G | ACS |
| Реагент Нитрат серебра | Эймса Голдсмит | ||
| Диоксид германия | Альфа Аэсар | 11155 | 100,00% |
| диоксид кремния (Cab-o-sil M-5) | Акрос Органикс | 403731500 |
Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE
Запросить разрешение