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O mundo microscópico escondido no ZSM-5: Por que seus poros são tão especiais?
ZSM-5, também conhecido como Zeolite Socony Mobil–5, é uma peneira molecular de aluminossilicato pentacíclico. Desde que foi patenteado pela Mobil Oil Company em 1975, ele tem sido cada vez mais utilizado na indústria do petróleo, principalmente como um catalisador heterogêneo para reações de isomerização. Mas por que o segredo escondido nessa estrutura microscópica ainda atrai a atenção de inúmeros cientistas? Uma observação cuidadosa da estrutura única dos poros do ZSM-5 pode revelar seu mistério.
Estrutura
A estrutura do ZSM-5 é composta de múltiplas unidades de cinco anéis conectadas por pontes de oxigênio para formar a chamada cadeia de cinco anéis, e cada unidade de cinco anéis contém oito anéis pentagonais. Nesses anéis, os vértices são de alumínio (Al) ou silício (Si), e presume-se que haja átomos de oxigênio conectando cada vértice. Essas correntes de cinco anéis são conectadas para formar uma superfície corrugada contendo 10 furos de anéis.
Os vértices de cada furo de 10 anéis também são feitos de alumínio ou silício, e presume-se que haja conexões de oxigênio entre os vértices.
De acordo com o estudo, o tamanho dos poros dos canais paralelos às ondulações do ZSM-5 foi estimado entre 5,4–5,6 Å. Sua célula unitária cristalina possui 96 sítios T (Si ou Al), 192 sítios de oxigênio e diferentes números de cátions compensadores, dependendo da proporção Si/Al. Essa estrutura única exibe uma propriedade altamente ordenada e continua sendo um tópico importante na pesquisa científica atualmente.
Processo de síntese
Como uma peneira molecular sintética, o processo de síntese do ZSM-5 é bastante importante. Seu método de síntese comum envolve a mistura de silício hidratado, aluminato de sódio, hidróxido de sódio e brometo de tetrapropilamino para formar tetrapropilamino ZSM-5 supersaturado, que pode ser aquecido e recristalizado para obter um sólido.
O ZSM-5 pode ser sintetizado sob alta temperatura e alta pressão pela mistura de vários compostos em proporções apropriadas.
Este método foi proposto pela primeira vez por Robert Argauer e George Landolt em 1969. Estudos subsequentes mostraram que o ZSM-5 ainda pode ser sintetizado mesmo sem modelos caros de amina orgânica, e a possibilidade de usar substitutos dele foi explorada.
Objetivo
O ZSM-5 é conhecido por sua alta proporção de silício para alumínio, o que o torna um componente importante em muitas reações catalíticas. Quando os cátions trivalentes de alumínio (Al3+) substituem os cátions tetravalentes de silício (Si4+), o material assume uma carga positiva adicional. Se prótons (H+) forem usados como cátions, o material se torna muito ácido, então a acidez é proporcional ao teor de alumínio.
A estrutura tridimensional altamente ordenada do ZSM-5 e suas propriedades ácidas podem ser usadas em reações catalisadas por ácidos, como isomerização e alquilação de hidrocarbonetos.
Por exemplo, o ZSM-5 pode catalisar efetivamente a reação de isomerização do p-xileno. O p-xileno em seus poros tem um coeficiente de difusão mais alto, de modo que durante a reação catalítica, o p-xileno pode passar rapidamente pela peneira molecular, melhorando assim a eficiência e o rendimento da reação.
Propriedades catalíticas e o futuro
Além de sua aplicação em reações de conversão, o ZSM-5 também é usado como material de suporte catalítico. Em um exemplo, o cobre é depositado em uma peneira molecular e o vapor é passado através dela para efetuar uma reação de oxidação, produzindo, por fim, acetaldeído. O tamanho específico dos poros permite que essa reação ocorra suavemente e também é eficaz para outros álcoois e reações de oxidação.
Por exemplo, o processo de conversão de álcool diretamente em gasolina é chamado de processo de metanol para gasolina (MTG), que é uma tecnologia patenteada pela Mobil Corporation.
Com a melhoria contínua da tecnologia de peneira molecular, o escopo de aplicação do ZSM-5 continua a se expandir, mostrando potencial e valor ilimitados tanto na conversão de energia quanto na síntese química. Então, como o ZSM-5 pode ser usado de forma inovadora em futuras pesquisas e aplicações catalíticas?
