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Le monde microscopique caché dans ZSM-5 : pourquoi ses pores sont-ils si spéciaux ?
Le ZSM-5, également connu sous le nom de Zeolite Socony Mobil–5, est un tamis moléculaire aluminosilicate pentacyclique. Depuis son brevet déposé par Mobil Oil Company en 1975, il est de plus en plus utilisé dans l'industrie pétrolière, principalement comme catalyseur hétérogène pour les réactions d'isomérisation. Mais pourquoi le secret caché dans cette structure microscopique attire-t-il encore l’attention d’innombrables scientifiques ? Une observation attentive de la structure unique des pores du ZSM-5 pourrait révéler son mystère.
Structure
La structure du ZSM-5 est composée de plusieurs unités à cinq cycles reliées par des ponts oxygène pour former une chaîne dite à cinq cycles, et chaque unité à cinq cycles contient huit cycles pentagonaux. Dans ces anneaux, les sommets sont en aluminium (Al) ou en silicium (Si), et on suppose qu'il y a des atomes d'oxygène reliant chaque sommet. Ces chaînes à cinq anneaux sont ensuite reliées entre elles pour former une surface ondulée contenant 10 trous annulaires.
Les sommets de chaque trou à 10 anneaux sont également constitués d'aluminium ou de silicium, et on suppose qu'il existe des connexions oxygène entre les sommets.
Selon l’étude, la taille des pores des canaux parallèles aux ondulations du ZSM-5 a été estimée entre 5,4 et 5,6 Å. Sa cellule cristalline possède 96 sites T (Si ou Al), 192 sites oxygène et un nombre différent de cations compensateurs selon le rapport Si/Al. Cette structure unique présente une propriété hautement ordonnée et reste aujourd’hui un sujet brûlant dans la recherche scientifique.
Processus de synthèse
En tant que tamis moléculaire synthétique, le processus de synthèse du ZSM-5 est assez important. Sa méthode de synthèse courante consiste à mélanger du silicium hydraté, de l'aluminate de sodium, de l'hydroxyde de sodium et du bromure de tétrapropylamino pour former du tétrapropylamino ZSM-5 sursaturé, qui peut être chauffé et recristallisé pour obtenir un solide.
Le ZSM-5 peut être synthétisé à haute température et haute pression en mélangeant divers composés dans des proportions appropriées.
Cette méthode a été proposée pour la première fois par Robert Argauer et George Landolt en 1969. Des études ultérieures ont montré que le ZSM-5 peut toujours être synthétisé même sans modèles d'amine organique coûteux, et la possibilité d'utiliser des substituts a été explorée.
Objectif
Le ZSM-5 est connu pour son rapport silicium/aluminium élevé, ce qui en fait un acteur important dans de nombreuses réactions catalytiques. Une fois que les cations trivalents d'aluminium (Al3+) remplacent les cations tétravalents de silicium (Si4+), le matériau prend une charge positive supplémentaire. Si des protons (H+) sont utilisés comme cations, le matériau devient très acide, de sorte que l'acidité est proportionnelle à la teneur en aluminium.
La structure tridimensionnelle hautement ordonnée du ZSM-5 et ses propriétés acides peuvent être utilisées dans des réactions catalysées par un acide telles que l'isomérisation et l'alkylation des hydrocarbures.
Par exemple, le ZSM-5 peut catalyser efficacement la réaction d’isomérisation du p-xylène. Le p-xylène dans ses pores a un coefficient de diffusion plus élevé, de sorte que pendant la réaction catalytique, le p-xylène peut passer rapidement à travers le tamis moléculaire, améliorant ainsi l'efficacité et le rendement de la réaction.
Propriétés catalytiques et avenir
Outre son application dans les réactions de conversion, le ZSM-5 est également utilisé comme matériau de support catalytique. Dans un exemple, le cuivre est déposé sur un tamis moléculaire et de la vapeur le traverse pour effectuer une réaction d'oxydation, produisant finalement de l'acétaldéhyde. La taille spécifique des pores permet à cette réaction de se dérouler en douceur et elle est également efficace pour d’autres alcools et réactions d’oxydation.
Par exemple, le processus de conversion directe de l’alcool en essence est appelé processus méthanol-essence (MTG), qui est une technologie brevetée par Mobil Corporation.
Avec l'amélioration continue de la technologie des tamis moléculaires, le champ d'application du ZSM-5 continue de s'étendre, montrant un potentiel et une valeur illimités tant dans la conversion d'énergie que dans la synthèse chimique. Alors, comment le ZSM-5 peut-il être utilisé de manière innovante dans la recherche et les applications catalytiques futures ?
