Les zéolithes sont des matériaux inorganiques cristallins dont la charpente à base d'oxyde est construite avec un partage de coins TO₄ tétraèdres, où T fait référence à un atome tétraédrique, le plus souvent Si et Al. Grâce à leur structure bien définie et à leurs propriétés matérielles ajustables, les zéolithes sont fréquemment utilisées comme catalyseurs dans toutes sortes d'applications, des processus industriels aux produits ménagers tels que les adoucisseurs d'eau dans les détergents. Pour son doctorat. recherche, Shaojie Li a développé de nouvelles façons rentables de synthétiser des zéolithes de taille nanométrique.

Les zéolithes sont largement utilisées dans les procédés industriels, en particulier dans les domaines de l'échange d'ions, de l'adsorption/séparation et de la catalyse, et elles constituent l'une des classes de matériaux les plus largement utilisées parmi les catalyseurs hétérogènes. Ce sont des catalyseurs utiles en raison de leur acidité réglable, de leur stabilité (hydro)thermique et de leur sélectivité de forme. Les zéolithes se forment avec de nombreuses structures cristallines différentes, qui ont de grands pores ouverts (parfois appelés cavités) dans un arrangement très régulier et à peu près de la même taille que les petites molécules.

Les performances des catalyseurs zéolitiques sont souvent entravées par les longs temps de séjour des réactifs et des produits dans le réseau de micropores. La nanodimensionnement des domaines cristallins de zéolite à moins de 100 nm peut améliorer efficacement la diffusion et réduire le temps de séjour des molécules invitées dans les zéolites. Dans son doctorat. recherche, Shaojie Li a développé l'utilisation de composés d'ammonium diquaternaire non tensioactifs facilement accessibles pour la synthèse directe de zéolithes nanométriques de topologies et d'acidité particulières afin d'optimiser les performances catalytiques.

"Le procédé couramment utilisé aujourd'hui dans l'industrie est l'approche de post-traitement via la désilication et la désalumination. Par rapport à l'approche de post-traitement, mon procédé offre plus de flexibilité dans la préparation de zéolithes de taille nanométrique. De plus, il y a plus de contrôle sur les propriétés physico-chimiques. des zéolithes obtenues dans mon procédé de synthèse directe Bien qu'il faille encore développer davantage pour rendre mon procédé de synthèse commercial, ces zéolithes nanométriques bien définies obtenues dans mon travail sont déjà des candidats prometteurs pour des études fondamentales, par exemple pour étudier l'impact de la longueur de diffusion sur les performances catalytiques de manière systématique", déclare Li.

Stratégies pour synthétiser les zéolithes

Généralement, les stratégies peuvent être divisées en approches descendantes et ascendantes, selon que les nanocristaux sont obtenus après ou pendant la cristallisation de la zéolite, respectivement. Par rapport aux approches descendantes, par ex. le broyage à billes et le délaminage, les méthodes ascendantes offrent plus de flexibilité dans la préparation des zéolithes nanocristallines.

Étant donné que le nombre de noyaux dans le système détermine la taille finale des cristaux, la formation de petits cristaux de zéolithe nécessite des conditions qui favorisent la nucléation plutôt que la croissance cristalline. Ces conditions peuvent inclure la prolongation du temps de vieillissement, l'utilisation de sources d'aluminium et de silice facilement dissoutes, l'ajout de germes, l'utilisation de gels ultra-denses cristallisés par la vapeur, le remplacement du chauffage traditionnel par une irradiation aux micro-ondes et le découplage de la nucléation de la croissance cristalline via une approche de température étagée.

Bien que des méthodes de modélisation douce, en tant qu'approche ascendante plus facile, aient été utilisées pour préparer des zéolithes nanocristallines, la méthode la plus couramment utilisée est la méthode de double modélisation. Cela implique l'utilisation combinée d'un modèle pour la formation de zéolite et d'un modèle souple, généralement un tensioactif, pour limiter la croissance des grains cristallins.

Processus de production souhaité

Du point de vue pratique et économique, il serait intéressant de synthétiser directement des zéolithes de taille nanométrique en utilisant des molécules organiques relativement simples et peu coûteuses comme matrices à double fonction. Li dit :"Dans mes recherches, notre objectif était de synthétiser des zéolites de taille nanométrique avec des propriétés physicochimiques ciblées pour des performances catalytiques améliorées ou adaptées dans les réactions de conversion d'hydrocarbures catalysées par la zéolite."

Li a développé des moyens de synthétiser directement des nanocristaux de zéolithe en utilisant des molécules organiques simples et peu coûteuses, en particulier des composés d'ammonium diquaternaire non tensioactifs, comme seule matrice organique. Ses recherches mettent en évidence comment tirer parti de plusieurs propriétés, à savoir la rigidité, la flexibilité, la taille et la forme, des OSDA d'ammonium diquaternaire non tensioactifs. De plus, son effet synergique avec les espèces précurseurs inorganiques a été très utile lors de la synthèse hydrothermale de zéolithes aux propriétés physico-chimiques ciblées.

Enfin, ces zéolithes nanométriques ont montré des performances catalytiques améliorées dans des réactions importantes sur le plan industriel pour le traitement des hydrocarbures, telles que l'hydroconversion des n-paraffines et la transformation du méthanol en hydrocarbures. Les recherches de Li ont non seulement contribué à la synthèse de zéolites nanométriques de manière bon marché et évolutive, mais inspireront également d'autres études pour relever le défi actuel de la conception rationnelle de la synthèse de zéolites. + Explorer plus loin

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