Zeoliet nanopore model koppelt kristalgrootte aan metaalclustermigratie en katalysatorprestaties

Uitgebreide industriële katalytische toepassingen hebben aangetoond dat de beperkte nanokanalen zeolieten nauwkeurig moleculaire diffusie en metaalclustermigratie kunnen reguleren, waardoor de katalysatoractiviteit, selectiviteit en stabiliteit effectief worden verbeterd.

Een diep begrip en kwantitatieve beschrijving van de koppeling tussen beperkte “transport- en reactie” -processen zijn essentieel voor het ontwerpen en optimaliseren van industriële zeolietkatalysatoren. Het construeren van een dergelijk theoretisch model vormt echter een belangrijke uitdaging, grotendeels vanwege de moeilijkheid om deze beperkte transportfenomenen nauwkeurig te karakteriseren en te beschrijven.

Om deze uitdaging aan te gaan, een onderzoeksteam, onder leiding van prof. Liu Zhongmin en Prof. Ye Mao van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academy of Sciences (CAS), in samenwerking met Prof. Baiaojun en Prof. Zhu Haibo from Fuzhou University, heeft een theoretisch model voorgesteld in individueel Zeolieten.

De studie is gepubliceerd in Natuur.

Met behulp van geavanceerde eerste principes-simulaties onderzochten de onderzoekers de migratie- en aggregatiekinetiek van metaalclusters in de nanoporiën van silicaat-1 (S-1). Dit werk leidde ertoe dat de vestiging-voor het eerst-van een theoretisch model dat specifiek het migratie-aggregatieproces van metaalclusters in zeolietnanoporiën beschreef.

Dit model onthult het dynamische gedrag van metaalclusters in de S-1-micro-regio en beschrijft kwantitatief hoe de kristalgrootte van S-1 de ruimtelijke en temporele verdeling van deze clusters beïnvloedt. De betrouwbaarheid van het model werd gevalideerd door verschillende spectroscopische karakteriseringen in de in-situ high-ruimtelijke resolutie.

Met behulp van dit model ontdekten onderzoekers dat de kristalgrootte van S-1 een sleutelrol speelt bij het reguleren van twee concurrerende mechanismen: oppervlakte-aggregatie van metaalclusters, wat leidt tot de vorming van metalen nanodeeltjes met een laag activiteit en aggregatie binnen de nanopores, wat resulteert in hoog-activity sub-nanometer metaalclusters.

Verder ontdekten de onderzoekers dat wanneer de B-aslengte van S-1 meer dan 2 μm overschrijdt, het uitgebreide migratiepad PT-soorten drijft om te aggregeren in de poriën, waardoor Sub-nanometer PT-clusters worden gevormd. Deze clusters worden effectief op hun plaats gesloten binnen de nanoporiën, waardoor onomkeerbare katalysatordeactivering wordt voorkomen.

Op basis van dit mechanisme stelden de onderzoekers een strategie voor om de “migratie-aggregatie-self-locking” van PT-soorten te bereiken door de kristalgrootte van S-1 te vergroten. Deze benadering maakte het maken van een ultra-stabiele PT-Sn@MFI-katalysator mogelijk voor propaandehydrogenering.

“Onze studie beschrijft kwantitatief metaalclustermigratie en aggregatie binnen individuele zeolieten, en biedt een belangrijke theoretische basis voor het nauwkeurig reguleren van beperkte metaalclustermigratie-aggregatie door de eigenschappen van zeolietondersteuning aan te passen,” zei Prof. Ye.