Summary
Протокол для получения новых цеолитов по ADOR (A ssembly- D isassembly- O rganization- R eassembly) синтетический путь представлен.
Introduction
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.
Protocol
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
- Растворить 5,68 г гидроксида натрия в 140 мл дистиллированной воды. Добавить 30,66 г 1,4-дибромобутан к раствору и размешать.
- Раствор нагревают с обратным холодильником (в масляной ванне при 110 ° C).
- Добавить по каплям (~ 1 капли в секунду) 16,07 г (2R, 6S) -2,6-диметилпиперидин и продолжают с обратным холодильником в течение еще 12 ч.
- Смесь охлаждают до комнатной температуры, а затем холод в бане со льдом.
- Растворить 50 г натриягидроксида в 75 мл дистиллированной воды для приготовления 40% -ного раствора. Охладили на льду. Добавить 70 мл охлажденной льдом 40 вес% раствора гидроксида натрия к охлажденному раствору выше.
- Фильтр белый осадок и растворяют в минимальном количестве хлороформа.
- Экстракт водный остаток хлороформом (три порциями по 200 мл). Смешайте части хлороформа и высушить с использованием ~ 20 г безводного сульфата натрия.
- Удаления сульфата натрия путем фильтрации с использованием фильтровальной бумаги и промывают хлороформом (50 мл).
- Частично испарить хлороформ, используя роторный испаритель, пока белый осадок начинает формироваться. Удалить из роторном испарителе и добавляют диэтиловый эфир до тех пор, не далее осадков не видно.
- Восстановление белый осадок путем фильтрации с использованием фильтровальной бумаги в воронке и промывают диэтиловым эфиром (50 мл).
- Сушат белый осадок при 60 ° CO / N, получая соль (6R, 10S) -6,10-диметил-5-azoniaspiro [4,5] деканом бромид.
- Растворить 25,0 г(6R, 10S) -6,10-диметил-5-azoniaspiro [4,5] деканом метила в 50 мл дистиллированной воды.
- Заменить анион бромида для гидроксида аниона с использованием гидроксида ионообменной смолы.
- Добавить 25,0 г гидроксида ионообменной смолы в виде бромида раствор соли и перемешивают в течение 12 ч.
- Фильтр решение с фильтровальной бумагой и повторно подвергать фильтрат до 25,0 г гидроксида ионообменной смолой при перемешивании в течение 12 часов. Повторите воздействия гидроксида ионообменной смолой, пока испытание нитрата серебра для галогенами возвращает отрицательный результат.
Примечание: Испытание нитрата серебра является очень чувствительным тестом для ионов брома.- Подкислите 0,25 мл раствора продукта с 2 мл разбавленной азотной кислоты (1,0 М). Добавьте 2-3 капли раствора нитрата серебра (0,05 М) к раствору продукта. Если образуется осадок затем повторить экспозицию с гидроксидом ионообменной смолой, и повторное тестирование, пока осадок не видно.
- Подтвердить концентрацию hydroxidе титрованием 0,1 М (что эквивалентно 0,1 Н) соляной кислоты с использованием фенолфталеина в качестве индикатора. С помощью бюретки, медленно добавить небольшие аликвоты 0,1 М соляной кислоты в небольшой части известного объема раствора продукта , пока индикатор фенолфталеин только не меняет цвет (то есть, конечная точка достигается). Общее число молей соляной кислоты, добавляемой равно числу молей гидроксида в исходном растворе.
- Разбавление раствора дистиллированной водой с получением концентрации 0,625 М в гидроксиде.
2. Подготовка Родитель Ge-УТЛ цеолитом
- Растворить 1,08 г диоксида германия в 15 мл раствора структурообразующий агент (6R, 10S) -6,10-диметил-5-azoniaspiro гидроксид [4,5] деканом (концентрация 0,625 М).
- Добавить порционно 1,246 г пирогенного диоксида кремния к указанному выше раствору и перемешивают в течение еще 30 мин до тех пор, пока не образуется гомогенный раствор.
Примечание: Полученный гель имеет мол рный состав 0,8 SiO 2: 0,4 GeO 2: 0,4 ROH: 30 H 2 O, где ROH является структурообразующий агент. - Переносят гель на политетрафторэтилена подкладке автоклав (30 мл емкость). Затем поместите в духовку и тепла до 175 ° C в течение 10 дней.
- Через 10 дней удалить автоклав из печи, и дать остыть естественным путем до комнатной температуры. Восстановление белого цеолита продукт фильтрацией. Промыть обильным количеством воды (~ 200 мл). Сушат цеолит при температуре 70 ° CO / N.
- Удалите структурообразующий агент из пор цеолита нагреванием цеолита до 550 ° С со скоростью 1 ° С мин - 1, проходившего при температуре 550 ° С в течение 6 ч , затем охлаждают до комнатной температуры со скоростью 2 ° C мин - 1.
- Приобретают Рентгеновский спектр порошковой дифракции для подтверждения структуры с использованием протокола производителя.
Примечание: Образец порошка дифракции рентгеновских лучей должна соответствовать, дающиеп для UTL на рисунке 2. - Приобретают N 2 изотермы адсорбции для подтверждения пористости с использованием протокола производителя.
- Приобретать элементного анализа с использованием энергии рентгеновской спектроскопии с использованием протокола производителя.
- Хранить обожженного цеолита в сухом инертной атмосфере, чтобы предотвратить гидролиз материала.
3. Гидролиз Ge-UTL к форме IPC-1P
- Добавить 1,0 г прокаленного цеолита до 160 мл раствора 0,1 М соляной кислоты.
- Нагревают эту смесь при температуре 95 ° С в течение 18 ч, охлаждают до комнатной температуры и восстановить твердое вещество путем фильтрации с использованием фильтровальной бумаги. Промыть обильным количеством воды (~ 300 мл) и сушат при 70 ° CO / N.
- Приобретают Рентгеновский спектр дифракции порошка, чтобы подтвердить структуру IPC-1P с использованием протокола производителя.
Примечание: Образец порошка дифракции рентгеновских лучей должен совпадать , что с учетом для IPC-1P на рисунке 2 Высушенный продукт предназначен.IPC-1П и сохраняется в памяти для дальнейшего использования.
4. Подготовка IPC-4 цеолитом
- Поместите 0,5 г IPC-1P в керамическом тигле и тепла до 575 ° С со скоростью нагрева 1 ° C мин - 1, выдержка при 575 ° С в течение 6 ч , затем охлаждают до комнатной температуры со скоростью 2 ° C мин - 1.
- Приобретают Рентгеновский спектр порошковой дифракции для подтверждения структуры с использованием протокола производителя.
Примечание: порошковая рентгенограмма картина дифракции должна соответствовать приведены для IPC-4 на рисунке 2. - Приобретают N 2 изотермы адсорбции для подтверждения пористости с использованием протокола производителя.
- Приобретать элементного анализа с использованием энергии рентгеновской спектроскопии с использованием протокола производителя. Это даст информацию о том, сколько Ge остается в структуре.
5. Подготовка IPC-2 цеолитом
- Добавьте 0,5 г IPC-1P до 10 мл 1,0 М азотнойкислотный раствор.
- Добавьте 0,1 г diethoxydimethylsilane (DEDMS) к раствору.
- Перенесите раствор политетрафторэтилена подкладке автоклава и тепла в печи при температуре 175 ° С в течение 18 часов.
- Извлеките автоклав из печи и дают остыть естественным путем до комнатной температуры.
- Восстановление белый продукт отфильтровывают, промывают обильным количеством воды (~ 100 мл) и сушат при 70 ° CO / N.
- Приобретают Рентгеновский спектр порошковой дифракции, чтобы подтвердить структуру. Порошок Рентгеновская дифракционная картина должна соответствовать приведены для IPC-2P на рисунке 2.
- Поместите продукт в керамический тигель и тепла до 575 ° С со скоростью нагрева 1 ° C мин - 1, выдержка при 575 ° С в течение 6 ч , затем охлаждают до комнатной температуры со скоростью 2 ° C мин - 1.
- Приобретают Рентгеновский спектр порошковой дифракции для подтверждения структуры с использованием протокола производителя.
Примечание: картина дифракции должна соответствовать тшляпа даны для IPC-2 на рисунке 2. - Приобретают N 2 изотермы адсорбции для подтверждения пористости с использованием протокола производителя.
- Приобретать элементного анализа с использованием энергии рентгеновской спектроскопии с использованием протокола производителя.
Representative Results
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.
Discussion
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).
Materials
| Name | Company | Catalog Number | Comments |
| Sodium hydroxide | Fisher Chemical | S/4920/53 | 99% |
| 1,4-dibromobutane | Aldrich | 140805-500G | 99% |
| (2R,6S)-2,6-dimethylpiperidine | Aldrich | 41470-100ML | >99% |
| Paraffin oil | Fisher Chemical | P/0320/17 | |
| Chloroform | Fisher Chemical | C/4920/17 | >99% |
| Sodium sulfate (anhydrous) | Fisher Chemical | S/6600/60 | >99% |
| Diethyl ether | Sigma Aldrich | 24002-2.5L | >99.5% |
| Ambersep 900-OH | Acros Organics | 301340025 | |
| Hydrochloric acid, 0.1 N | Fluka | 318965-500ML | |
| Phenolphthalein | Sigma Aldrich | 105945-50G | ACS Reagent |
| Silver nitrate | Ames Goldsmith | ||
| Germanium dioxide | Alfa Aesar | 11155 | 100.00% |
| fumed silica (Cab-o-sil M-5) | Acros Organics | 403731500 |
References
- Cundy, C. S., Cox, P. A. The hydrothermal synthesis of zeolites: History and development from the earliest days to the present time. Chem. Rev. 103 (3), 663-701 (2003).
- Cundy, C. S., Cox, P. A. The hydrothermal synthesis of zeolites: Precursors, intermediates and reaction mechanism. Micropor. Mesopor. Mater. 82 (1-2), 1-78 (2005).
- Wilson, S. T., Lok, B. M., Messina, C. A., Cannan, T. R., Flanigen, E. Aluminophosphate molecular-sieves - a new class of microporous crystalline inorganic solids. J. Am. Chem. Soc. 104 (4), 1146-1147 (1982).
- Roth, W. J., et al. A family of zeolites with controlled pore size prepared using a top-down method. Nat. Chem. 5 (7), 628-633 (2013).
- Roth, W. J., Nachtigall, P., Morris, R. E., Cejka, J. Two-Dimensional Zeolites: Current Status and Perspectives. Chem. Rev. 114 (9), 4807-4837 (2014).
- Chlubná, P., et al. 3D to 2D Routes to Ultrathin and Expanded Zeolitic Materials. Chem. Mater. 25 (4), 542-547 (2013).
- Chlubná-Eliášová, P., et al. The Assembly-Disassembly-Organization-Reassembly Mechanism for 3D-2D-3D. Transformation of Germanosilicate IWW Zeolite. Angew. Chem. Int. Ed. 53 (27), 7048-7052 (2014).
- Morris, R. E., Čejka, J. Exploiting chemically selective weakness in solids as a route to new porous materials. Nat. Chem. 7 (5), 381-388 (2015).
- Paillaud, J. L., Harbuzaru, B., Patarin, J., Bats, N. Extra-large-pore zeolites with two-dimensional channels formed by 14 and 12 rings. Science. 304 (5673), 990-992 (2004).
- Corma, A., Diaz-Cabanas, M. J., Rey, F., Nicolooulas, S., Boulahya, K. ITQ-15: The first ultralarge pore zeolite with a bi-directional pore system formed by intersecting 14- and 12-ring channels, and its catalytic implications. Chem. Comm. , 1356-1357 (2004).
- Rouquerol, J., Llewellyn, P., Rouquerol, F. Is the BET equation applicable to microporous adsorbents? Stud. Surf. Sci. Catal. 160, 49-56 (2006).
- Trachta, M., Bludsky, O., Cejka, J., Morris, R. E., Nachtigall, P. From Double-Four-Ring Germanosilicates to New Zeolites: In Silico Investigation. Chemphyschem. 15 (14), 2972-2976 (2014).
- Wheatley, P., et al. Zeolites with continuously tuneable porosity. Angew. Chem. Int. Ed. 53 (48), 13210-13214 (2014).
