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El mundo microscópico escondido en ZSM-5: ¿Por qué sus poros son tan especiales?
ZSM-5, también conocido como Zeolita Socony Mobil–5, es un tamiz molecular de aluminosilicato pentacíclico. Desde que fue patentado por Mobil Oil Company en 1975, se ha utilizado cada vez más en la industria petrolera, principalmente como catalizador heterogéneo para reacciones de isomerización. Pero ¿por qué el secreto oculto en esta estructura microscópica sigue atrayendo la atención de innumerables científicos? Una observación cuidadosa de la estructura porosa única de ZSM-5 puede revelar su misterio.
Estructura
La estructura de ZSM-5 está compuesta de múltiples unidades de cinco anillos conectadas por puentes de oxígeno para formar una llamada cadena de cinco anillos, y cada unidad de cinco anillos contiene ocho anillos pentagonales. En estos anillos, los vértices son aluminio (Al) o silicio (Si), y se supone que hay átomos de oxígeno que conectan cada vértice. Estas cadenas de cinco anillos están conectadas además para formar una superficie corrugada que contiene 10 orificios para anillos.
Los vértices de cada agujero de 10 anillos también están hechos de aluminio o silicio, y se supone que hay conexiones de oxígeno entre los vértices.
Según el estudio, el tamaño de los poros de los canales paralelos a las corrugaciones de ZSM-5 se estimó entre 5,4 y 5,6 Å. Su celda unitaria cristalina tiene 96 sitios T (Si o Al), 192 sitios de oxígeno y diferentes cantidades de cationes compensadores dependiendo de la relación Si/Al. Esta estructura única exhibe una propiedad altamente ordenada y sigue siendo un tema candente en la investigación científica actual.
Proceso de síntesis
Como tamiz molecular sintético, el proceso de síntesis de ZSM-5 es bastante importante. Su método de síntesis común implica mezclar silicio hidratado, aluminato de sodio, hidróxido de sodio y bromuro de tetrapropilamino para formar tetrapropilamino ZSM-5 sobresaturado, que puede calentarse y recristalizarse para obtener un sólido.
El ZSM-5 se puede sintetizar a alta temperatura y alta presión mezclando varios compuestos en proporciones apropiadas.
Este método fue propuesto por primera vez por Robert Argauer y George Landolt en 1969. Estudios posteriores han demostrado que ZSM-5 todavía se puede sintetizar incluso sin costosas plantillas de amina orgánica, y se ha explorado la posibilidad de utilizar sustitutos de este.
Propósito
El ZSM-5 es conocido por su alta relación silicio-aluminio, lo que lo convierte en un actor importante en muchas reacciones catalíticas. Una vez que los cationes trivalentes de aluminio (Al3+) reemplazan a los cationes tetravalentes de silicio (Si4+), el material adquiere una carga positiva adicional. Si se utilizan protones (H+) como cationes, el material se vuelve muy ácido, por lo que la acidez es proporcional al contenido de aluminio.
La estructura tridimensional altamente ordenada de ZSM-5 y sus propiedades ácidas se pueden utilizar en reacciones catalizadas por ácidos, como la isomerización y la alquilación de hidrocarburos.
Por ejemplo, ZSM-5 puede catalizar eficazmente la reacción de isomerización del p-xileno. El p-xileno en sus poros tiene un coeficiente de difusión más alto, por lo que durante la reacción catalítica, el p-xileno puede pasar rápidamente a través del tamiz molecular, mejorando así la eficiencia y el rendimiento de la reacción.
Propiedades catalíticas y el futuro
Además de su aplicación en reacciones de conversión, el ZSM-5 también se utiliza como material de soporte catalítico. En un ejemplo, se deposita cobre sobre un tamiz molecular y se hace pasar vapor a través de él para efectuar una reacción de oxidación, produciendo finalmente acetaldehído. El tamaño de poro específico permite que esta reacción se desarrolle sin problemas y también es eficaz para otros alcoholes y reacciones de oxidación.
Por ejemplo, el proceso de convertir alcohol directamente en gasolina se llama proceso de metanol a gasolina (MTG), que es una tecnología patentada por Mobil Corporation.
Con la mejora continua de la tecnología de tamiz molecular, el alcance de aplicación de ZSM-5 continúa expandiéndose, mostrando un potencial y valor ilimitados tanto en la conversión de energía como en la síntesis química. Entonces, ¿cómo se puede utilizar ZSM-5 de forma innovadora en futuras investigaciones y aplicaciones catalíticas?
