Language
Country/Area
No result found
Thế giới vi mô ẩn chứa trong ZSM-5: Tại sao các lỗ chân lông của nó lại đặc biệt như vậy?
ZSM-5, còn được gọi là Zeolite Socony Mobil–5, là một loại sàng phân tử aluminosilicate pentacyclic. Kể từ khi được Mobil Oil Company cấp bằng sáng chế vào năm 1975, sản phẩm này ngày càng được sử dụng nhiều trong ngành công nghiệp dầu mỏ, chủ yếu như một chất xúc tác không đồng nhất cho các phản ứng đồng phân hóa. Tuy nhiên, tại sao bí mật ẩn chứa trong cấu trúc vi mô này vẫn thu hút sự chú ý của vô số nhà khoa học? Việc quan sát cẩn thận cấu trúc lỗ chân lông độc đáo của ZSM-5 có thể tiết lộ bí ẩn của nó.
Cấu trúc
Cấu trúc của ZSM-5 bao gồm nhiều đơn vị năm vòng được kết nối bằng cầu oxy để tạo thành cái gọi là chuỗi năm vòng, và mỗi đơn vị năm vòng chứa tám vòng ngũ giác. Trong các vòng này, các đỉnh là nhôm (Al) hoặc silic (Si), và người ta cho rằng có các nguyên tử oxy kết nối mỗi đỉnh. Những chuỗi năm vòng này được kết nối thêm để tạo thành bề mặt gợn sóng chứa 10 lỗ vòng.
Các đỉnh của mỗi lỗ 10 vòng cũng được làm bằng nhôm hoặc silicon và người ta cho rằng có các kết nối oxy giữa các đỉnh.
Theo nghiên cứu, kích thước lỗ chân lông của các kênh song song với các nếp gấp của ZSM-5 được ước tính là từ 5,4–5,6 Å. Ô đơn vị tinh thể của nó có 96 vị trí T (Si hoặc Al), 192 vị trí oxy và số lượng cation bù khác nhau tùy thuộc vào tỷ lệ Si/Al. Cấu trúc độc đáo này thể hiện tính chất có trật tự cao và vẫn là chủ đề nóng trong nghiên cứu khoa học ngày nay.
Quá trình tổng hợp
Là một sàng phân tử tổng hợp, quá trình tổng hợp ZSM-5 khá quan trọng. Phương pháp tổng hợp phổ biến của nó bao gồm trộn silic ngậm nước, natri aluminat, natri hydroxit và tetrapropylamino bromua để tạo thành tetrapropylamino ZSM-5 siêu bão hòa, có thể được đun nóng và kết tinh lại để thu được chất rắn.
ZSM-5 có thể được tổng hợp ở nhiệt độ cao và áp suất cao bằng cách trộn nhiều hợp chất khác nhau theo tỷ lệ thích hợp.
Phương pháp này lần đầu tiên được Robert Argauer và George Landolt đề xuất vào năm 1969. Các nghiên cứu sau đó đã chỉ ra rằng ZSM-5 vẫn có thể được tổng hợp ngay cả khi không có khuôn mẫu amin hữu cơ đắt tiền và khả năng sử dụng các chất thay thế từ nó đã được khám phá.
Mục đích
ZSM-5 được biết đến với tỷ lệ silicon/nhôm cao, khiến nó trở thành một yếu tố quan trọng trong nhiều phản ứng xúc tác. Khi cation nhôm hóa trị ba (Al3+) thay thế cation silic hóa trị bốn (Si4+), vật liệu sẽ mang thêm điện tích dương. Nếu proton (H+) được sử dụng làm cation, vật liệu sẽ trở nên có tính axit rất cao, do đó độ axit tỷ lệ thuận với hàm lượng nhôm.
Cấu trúc ba chiều có trật tự cao của ZSM-5 và tính chất axit của nó có thể được sử dụng trong các phản ứng xúc tác axit như đồng phân hóa và alkyl hóa hydrocarbon.
Ví dụ, ZSM-5 có thể xúc tác hiệu quả phản ứng đồng phân hóa của p-xylene. P-xylene trong các lỗ rỗng của nó có hệ số khuếch tán cao hơn, do đó trong quá trình phản ứng xúc tác, p-xylene có thể nhanh chóng đi qua sàng phân tử, do đó cải thiện hiệu suất phản ứng và năng suất.
Tính chất xúc tác và tương lai
Ngoài ứng dụng trong phản ứng chuyển đổi, ZSM-5 còn được sử dụng làm vật liệu hỗ trợ xúc tác. Trong một ví dụ, đồng được lắng đọng trên một sàng phân tử và hơi nước được dẫn qua nó để tạo ra phản ứng oxy hóa, cuối cùng tạo ra acetaldehyde. Kích thước lỗ rỗng cụ thể cho phép phản ứng này diễn ra suôn sẻ và cũng hiệu quả đối với các loại rượu và phản ứng oxy hóa khác.
Ví dụ, quá trình chuyển đổi cồn trực tiếp thành xăng được gọi là quá trình chuyển hóa methanol thành xăng (MTG), đây là công nghệ được cấp bằng sáng chế bởi Mobil Corporation.
Với sự cải tiến liên tục của công nghệ sàng phân tử, phạm vi ứng dụng của ZSM-5 tiếp tục được mở rộng, cho thấy tiềm năng và giá trị vô hạn trong cả chuyển đổi năng lượng và tổng hợp hóa học. Vậy, ZSM-5 có thể được sử dụng sáng tạo như thế nào trong nghiên cứu và ứng dụng xúc tác trong tương lai?
