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Die in ZSM-5 verborgene mikroskopische Welt: Warum sind seine Poren so besonders?
ZSM-5, auch bekannt als Zeolith Socony Mobil–5, ist ein pentazyklisches Alumosilikat-Molekularsieb. Seit es 1975 von der Mobil Oil Company patentiert wurde, wird es zunehmend in der Erdölindustrie eingesetzt, hauptsächlich als heterogener Katalysator für Isomerisierungsreaktionen. Doch warum erregt das in dieser mikroskopischen Struktur verborgene Geheimnis noch immer die Aufmerksamkeit zahlloser Wissenschaftler? Eine sorgfältige Beobachtung der einzigartigen Porenstruktur von ZSM-5 könnte sein Geheimnis lüften.
Struktur
Die Struktur von ZSM-5 besteht aus mehreren Fünfringeinheiten, die durch Sauerstoffbrücken zu einer sogenannten Fünfringkette verbunden sind, wobei jede Fünfringeinheit acht Fünfringringe enthält. In diesen Ringen bestehen die Eckpunkte aus Aluminium (Al) oder Silizium (Si) und man geht davon aus, dass die einzelnen Eckpunkte durch Sauerstoffatome verbunden sind. Diese Fünf-Ring-Ketten sind weiter verbunden, wodurch eine gewellte Oberfläche mit 10-Ring-Löchern entsteht.
Die Eckpunkte jedes 10-Ring-Lochs bestehen ebenfalls aus Aluminium oder Silizium, und es wird angenommen, dass zwischen den Eckpunkten Sauerstoffverbindungen bestehen.
Der Studie zufolge wurde die Porengröße der Kanäle parallel zu den Wellen von ZSM-5 auf 5,4–5,6 Å geschätzt. Seine Kristallelementarzelle weist 96 T-Stellen (Si oder Al), 192 Sauerstoffstellen und je nach Si/Al-Verhältnis eine unterschiedliche Anzahl kompensierender Kationen auf. Diese einzigartige Struktur weist eine hohe Ordnung auf und ist bis heute ein heißes Thema der wissenschaftlichen Forschung.
Syntheseprozess
Da es sich bei ZSM-5 um ein synthetisches Molekularsieb handelt, ist der Syntheseprozess von großer Bedeutung. Bei der üblichen Synthesemethode werden hydratisiertes Silizium, Natriumaluminat, Natriumhydroxid und Tetrapropylaminobromid gemischt, um übersättigtes Tetrapropylamino-ZSM-5 zu bilden, das erhitzt und rekristallisiert werden kann, um einen Feststoff zu erhalten.
ZSM-5 kann bei hoher Temperatur und hohem Druck durch Mischen verschiedener Verbindungen in geeigneten Verhältnissen synthetisiert werden.
Diese Methode wurde erstmals 1969 von Robert Argauer und George Landolt vorgeschlagen. Nachfolgende Studien haben gezeigt, dass ZSM-5 auch ohne teure organische Aminvorlagen synthetisiert werden kann, und die Möglichkeit der Verwendung von Ersatzstoffen wurde untersucht.
Zweck
ZSM-5 ist für sein hohes Silizium-Aluminium-Verhältnis bekannt, was es zu einem wichtigen Bestandteil vieler katalytischer Reaktionen macht. Sobald dreiwertige Aluminiumkationen (Al3+) vierwertige Siliziumkationen (Si4+) ersetzen, erhält das Material eine zusätzliche positive Ladung. Werden Protonen (H+) als Kationen verwendet, wird das Material sehr sauer, der Säuregrad ist also proportional zum Aluminiumgehalt.
Die hochgeordnete dreidimensionale Struktur von ZSM-5 und seine sauren Eigenschaften können in säurekatalysierten Reaktionen wie der Isomerisierung und Alkylierung von Kohlenwasserstoffen genutzt werden.
Beispielsweise kann ZSM-5 die Isomerisierungsreaktion von p-Xylol effektiv katalysieren. Das p-Xylol in seinen Poren hat einen höheren Diffusionskoeffizienten, sodass p-Xylol während der katalytischen Reaktion schnell durch das Molekularsieb gelangen kann und dadurch die Reaktionseffizienz und -ausbeute verbessert wird.
Katalytische Eigenschaften und die Zukunft
Neben seiner Anwendung in Umwandlungsreaktionen wird ZSM-5 auch als katalytisches Trägermaterial verwendet. In einem Beispiel wird Kupfer auf einem Molekularsieb abgelagert und Dampf hindurchgeleitet, um eine Oxidationsreaktion auszulösen, bei der letztendlich Acetaldehyd entsteht. Die spezielle Porengröße ermöglicht einen reibungslosen Ablauf dieser Reaktion und ist auch bei anderen Alkoholen und Oxidationsreaktionen wirksam.
Der Prozess der direkten Umwandlung von Alkohol in Benzin wird beispielsweise als Methanol-to-Gasoline-Prozess (MTG-Prozess) bezeichnet und ist eine von der Mobil Corporation patentierte Technologie.
Mit der kontinuierlichen Verbesserung der Molekularsiebtechnologie erweitert sich der Anwendungsbereich von ZSM-5 weiter und zeigt unbegrenztes Potenzial und Wert sowohl bei der Energieumwandlung als auch bei der chemischen Synthese. Wie kann ZSM-5 also innovativ in der zukünftigen katalytischen Forschung und Anwendung eingesetzt werden?
