Исследователи из Академии инноваций в области точных измерений науки и технологий (APM) Китайской академии наук обнаружили, что вода может активировать алюминий, который ранее был «невидимым» в ЯМР (ядерно-магнитно-резонансной спектроскопии) в ультрастабильном цеолите Y (USY). Это ключевой материал в катализе.
Эта активация создаёт синергетические кислотные центры, которые заметно улучшают производительность катализатора при превращении диэтилового эфира в этилен. Результаты были опубликованы в Journal of the American Chemical Society.
Цеолиты — это микропористые материалы с настраиваемой кислотностью, широко используемые в нефтехимической и тонкой химической промышленности благодаря своей селективности по форме, активности и стабильности. Вода, часто присутствующая в каталитических процессах, влияет на кислотность цеолита и динамику реакций, действуя как растворитель, реагент, продукт и ускоритель.
Ключевые кислотные центры Льюиса (LAS) включают трёхкоординированные каркасные и внекаркасные алюминиевые соединения, многие из которых остаются «невидимыми» в ЯМР и малоизучены, что ограничивает понимание их каталитической роли.
Чтобы восполнить этот пробел, исследователи провели всестороннее исследование динамического взаимодействия между «невидимыми» в ЯМР алюминиевыми соединениями и водой в обезвоженных цеолитах USY, используя передовые методы твердотельного ЯМР в сочетании с теоретическими расчётами.
Результаты демонстрируют, что вода подвергается диссоциативной адсорбции на «невидимых» в ЯМР алюминиевых участках, что приводит к существенному увеличению более чем на 60% кислотных центров Брёнстеда (BAS), а также к формированию синергетических кислотных центров Брёнстеда/Льюиса. Эта трансформация значительно повышает каталитическую активность цеолита USY при превращении диэтилового эфира в этилен.
Эволюция алюминиевых соединений, вызванная адсорбцией воды, отслеживалась с помощью одномерных экспериментов 27Al MAS ЯМР. Диссоциативная адсорбция воды преобразует «невидимые» в ЯМР алюминиевые соединения в обнаруживаемые формы и способствует образованию BAS на тетра-, пента- и гексакоординированном алюминии.
Кроме того, были проведены двумерные эксперименты 1H–1H DQ–SQ ЯМР для изучения пространственной близости водородных соединений в образцах USY при адсорбции воды. Эти результаты подтверждают формирование синергетических кислотных центров Брёнстеда/Льюиса, где вновь образованные протоны кислоты Брёнстеда находятся в непосредственной близости от групп Al–OH.
На основе этих данных исследователи прояснили механизм взаимодействия между водой и «невидимыми» в ЯМР алюминиевыми соединениями. Они предложили механизм регуляции, управляемый водой, который модифицирует активные участки цеолита, предлагая более глубокое понимание того, как влага влияет на каталитическое поведение.
Предоставлено Китайской академией наук.