Design, synthesis and characterization of small-pore zeolites for industrial environmental applications

Abstract

[ES] El Proyecto de investigación aquí descrito se estructura en dos partes. La primera parte se centra en la investigación fundamental con el objetivo de crear un protocolo para la síntesis de zeolitas. La segunda parte se refiere al diseño, síntesis y caracterización de nuevas zeolitas, particularmente utiles para aplicaciones DeNOx,, pero también podría ser útil para aplicaciones MTO. La investigación fundamental sugiere un Nuevo modelo de preparación de zeolitas utilizando otras zeolitas como simiente. Este proceso se llama transformación zeolita-zeolita o también conversión interzeolita. El alto rendimiento obtenido, la rápida cristalización y la mejor utilización y rendimiento de los materiales de partida se han tenido en cuenta para mejorar el proceso en base a un proyecto de doctorado financiado por una empresa. Este método se ha ilustrado utilizando varias zeolitas como semilla, entre otras FAU y CHA, para la preparación de las dos zeolitas objetivo: AEI y AFX. En la segunda parte, la investigación se centra en el diseño de nuevas zeolitas de poro medio. Se han seleccionado tres zeolitas hipotéticas de una base de datos de 933611 estructuras. Esta selección se ha realizado utilizando descriptores específicamente diseñados en base a la aplicabilidad de estas zeolitas en procesos DeNOx zeolitas. A continuación se han buscado los agentes directores de estructura (ADE) más apropiados, con la ayuda de métodos computacionales, algunos de los cuales se han sintetizado posteriormente. El uso de dichos ADE en el gel de síntesis ha permitido la obtención de una zeolita cuya topología (ERI) ha sido identificada mediante análisis por PXRD, y cuya morfología y tamaño de cristal (particularmente pequeño) la hacen muy adecuada para su uso como catalizador en algunos procesos. El trabajo de síntesis también reveló la aparición de una nueva zeolita de alta densidad, llamada 'paracelsio-K'. Este nuevo material se ha obtenido al explorar el espacio de fases que cristalizan al utilizar 1-methyl-DABCO como ADE. La síntesis de esta zeolita tiene un especial interés porque el ADE no se incorpora en los canales de la zeolita, pero más bien influyendo en la nucleación y cristalización. La caracterización reveló que la composición del material es próxima al mineral microcline, estructuralmente cercano al paracelsio, ambos feldespatos. A diferencia de los feldespatos el paracelsio-K contiene moléculas de agua en su interior (1 molécula por cavidad) y puede describirse como el material más simple de la familia de las zeolitas que contiene cadenas del tipo 'doble-cigüeñal'. Utilizando los elementos topológicos correspondientes a esta estructura es posible generar estructuras zeolíticas ya conocidas, como GIS, APC, MER, PHI, SIV y algunas otras zeolitas hipotéticas.

[CA] El Projecte d'investigació aquí descrit s'estructura en dos parts. La primera part se centra en la investigació fonamental amb l'objectiu de crear un protocol per a la síntesis de zeolites. La segona part es refereix al disseny, síntesis i caracterització de noves zeolites, particularment útils per a aplicacions DeNOx , però també podria ser útil per a aplicacions MTO. La investigació fonamental suggereix un nou model de preparació de zeolites utilitzant altres zeolites com a llavor. Aquest procés s'anomena transformació zeolita-zeolita o també conversió interzeolita. L'alt rendiment obtingut, la ràpida cristal·lització i la millor utilització i rendiment dels materials de partida s'han tingut en compte per millorar el procés en base a un projecte de doctorat finançat per una empresa. Aquest mètode s'ha il·lustrat utilitzant diverses zeolites com a llavor, entre altres FAU i CHA, per a la preparació de les dues zeolites objectiu: AEI i AFX. A la segona part, la investigació se centra en el disseny de noves zeolites de porus mitjà. S'han seleccionat tres zeolites hipotètiques d'una base de dades de 933.611 estructures. Aquesta selecció s'ha realitzat utilitzant descriptors específicament dissenyats sobre la base de l'aplicabilitat d'aquestes zeolites en processos DeNOx zeolites. A continuació s'han buscat els agents directors d'estructura (ADE) més apropiats, amb l'ajuda de mètodes computacionals, alguns dels quals s'han sintetitzat posteriorment. L'ús d'aquests ADE al gel de síntesi ha permès l'obtenció d'una zeolita la topologia (ERI) ha estat identificada mitjançant anàlisi per PXRD, i la morfologia i mida de vidre (particularment petit) la fan molt adequada per al seu ús com a catalitzador en alguns processos. El treball de síntesi també va revelar l'aparició d'una nova zeolita d'alta densitat, anomenada 'paracelsio-K'. Aquest nou material s'ha obtingut a explorar l'espai de fases que cristal·litzen en utilitzar 1-methyl-DABCO com ADE. La síntesi d'aquesta zeolita té un especial interès perquè el ADE no s'incorpora en els canals de la zeolita, però més aviat influint en la nucleació i cristal·lització. La caracterització va revelar que la composició del material és propera al mineral microcline, estructuralment proper al paracelsio, tots dos feldspats. A diferència dels feldspats el paracelsio-K conté molècules d'aigua al seu interior (1 molècula per cavitat) i pot descriure com el material més simple de la família de les zeolites que conté cadenes del tipus 'doble-cigonyal'. Utilitzant els elements topològics corresponents a aquesta estructura és possible generar estructures zeolítiques ja conegudes, com GIS, APC, MER, PHI, SIV i algunes altres zeolites hipotètiques.

[EN] The research project described herein is structured in two parts. The first part is focused on the fundamental research with the aim of creating a toolbox for zeolite preparation. The second part deal with the design, synthesis and characterization of novel zeolites particular useful for DeNOx applications, but could be also useful for MTO applications. The fundamental research is addressing a novel approach of preparing zeolites by using other zeolites as raw materials. This process is known as zeolite-to-zeolite transformation or interzeolite conversion. The high yield obtained, fast crystallization time and the better utilization of the raw materials (e.g. parent zeolite, organic structure directing agent (OSDA)), are important benefits of interzeolite conversion technic, which answer the objectives formulated for an industrial PhD project. The method has been exemplified by using various raw materials as parent zeolites, such as FAU and CHA for the preparation of two target small pore zeolites AEI and AFX. In the second part the focus has been on the design of novel small pore zeolites. Three hypothetical frameworks have been selected by narrowing down a database containing 933611 structures. The selection has been performed by using the general descriptors for the state-of-the-art DeNOx zeolites (e.g. CHA). This was followed by finding suitable OSDAs for the selected frameworks, by using computational methods. The usage of the theoretically predicted OSDAs in synthesis gels made possible the synthesis of a novel high-silica zeolite. PXRD analysis, revealed that the zeolite has the ERI framework topology. The obtained material has a distinct particle morphology and smaller crystallites, which are key parameters for various catalytic processes. The synthesis work revealed also a novel dense zeolite, named K-paracelsian. The new material has been obtained while exploring the phase space using 1-methyl-DABCO as OSDA. The synthesis of this zeolite is especially interesting in the sense that the OSDA is not being incorporated into the zeolite channels, but rather influencing the nucleation and crystallization. Further characterization revealed a material compositionally closely related to the mineral microcline and structurally closely related to the mineral paracelsian, both of which are feldspars. In contrast to the feldspars, K-paracelsian contains intrazeolitic water corresponding to one molecule per cage and can be described as the simplest endmember of a family of dense double-crankshaft zeolite topologies. By applying the identified building principle, a number of known zeolite frameworks (e.g. GIS, APC, MER, PHI, SIV) and hypothetical zeolite topologies can be constructed.