Wat zijn zeolieten en waarom zijn ze zo speciaal?

Chemische katalysatoren kunnen in alle verschillende vormen, maten en vormen voorkomen. Ze worden gebruikt om de energiedrempel te verlagen die nodig is om een ​​chemische reactie te activeren, waardoor de snelheid toeneemt - vaak met ordes van grootte. Naar schatting 90% van de industrieel gesynthetiseerde chemicaliën maakt gebruik van katalyse.

Het vinden van de meest efficiënte en specifieke katalysatoren is een essentieel onderdeel van chemische processen, en het hebben van een katalysator die zowel direct beschikbaar is als afstembaar op verschillende reacties is ideaal - dit is waar de zeolietfamilie van materialen schittert.

Wat zijn zeolieten?

Zeolieten zijn een materiaalklasse met vergelijkbare chemische samenstelling en fysisch-chemische eigenschappen. Ze zijn meestal een mengsel van zowel silica-, aluminiumoxide- als watermoleculen, met losjes gebonden positieve ionen die gemakkelijk kunnen worden uitgewisseld voor andere. Deze positieve ionen, evenals de unieke microporeuze structuur van de zeolieten, zorgen ervoor dat ze breed toepasbare katalytische eigenschappen hebben. 

Er zijn meer dan 250 bekende zeolietstructuren, waarvan er 40 van nature voorkomen. Elke unieke structuur krijgt een drieletterige aanduiding van de International Zeolite Association Structure Commission. 

De kristallen vormen een zich herhalende roosterstructuur, die kan worden geïdentificeerd en gemeten door middel van kristallografie. Zeolieten hebben een groot oppervlak vanwege hun poriën en kunnen een breed scala aan kationen adsorberen, zoals natrium, calcium, kalium of magnesium. Ze kunnen ook waterstofkationen adsorberen om te functioneren als vaste zuren. 

Wat maakt hen uniek?

De eerste zeoliet werd ontdekt in de 18e eeuw toen werd ontdekt dat het mineraal stilbiet aanzienlijke hoeveelheden stoom afgeeft bij verhitting. Dit leidde tot het inzicht dat water kon worden geadsorbeerd aan het oppervlak van het materiaal. Nader onderzoek heeft veel mineralen binnen de familie van zeolieten geïdentificeerd, met veel verschillende structurele configuraties en poriegroottes. 

Zeolieten zijn zeer stabiel, niet-toxisch, herbruikbaar en kunnen worden gemaakt van zeer overvloedige natuurlijke materialen. Door de mens gemaakte zeolieten kunnen worden gesynthetiseerd door aluminiumoxide en siliciumdioxide te verhitten met natriumhydroxide, waarbij extra sjabloonchemicaliën worden gebruikt om de structuur van het kristal tijdens het vormen te sturen.

De poriën van elk verschillend zeoliettype kunnen ervoor zorgen dat bindingen worden verbroken op specifieke en herhaalbare locaties, waardoor het gewenste product wordt gemaximaliseerd en ongewenste derivaten worden geminimaliseerd. Dit is met name handig bij het recyclen van plastic afval, waar zeolietporiën moleculaire stukjes van specifieke grootte kunnen afschuiven van het veel grotere polymeer, die vervolgens kunnen worden hergebruikt in nieuwe polymeren of volledig nieuwe materialen. Een soortgelijk principe is succesvol geweest bij het omzetten van methaan, een broeikasgas, in methanol.

Wat kunnen zeolieten nog meer doen?

Deze fascinerende materialen hebben ook het vermogen om zich als moleculaire zeven te gedragen en moleculaire mengsels te filteren volgens de poriën in de zeolietstructuur. Deze grootte-uitsluiting maakt het filteren en adsorberen van verschillende moleculen mogelijk, afhankelijk van welke van de 250 zeolietstructuren wordt gebruikt. Door de mens gemaakte zeolieten hebben hiervoor meestal de voorkeur, omdat de grootte en vorm van het kristal kan worden gemanipuleerd en het minder waarschijnlijk is dat het mineraal verontreinigingen bevat.

Ondanks hun wenselijke eigenschappen kan het moeilijk zijn om met sommige zeolieten op industriële schaal te werken. Om dit tegen te gaan, zijn composietmaterialen bedacht om de voordelen van het materiaal te maximaliseren met minder nadelen. Zweedse wetenschappers hebben een lichtgewicht zeoliet-schuimcomposiet ontwikkeld, dat voldoende zeolietoppervlak behoudt om bruikbaar te zijn bij de selectieve adsorptie van kooldioxide, waardoor het uit de atmosfeer wordt verwijderd. Door het schuimframe kan meer gas in contact komen met de katalysator, in tegenstelling tot conventionele zeolietpoeders.

Zeolieten zijn ook gebruikt om waterzuiveringsinspanningen te ondersteunen, omdat het kristal ionen kan adsorberen en uitwisselen die vaak worden aangetroffen in hard water, zoals calcium en magnesium, en deze kan vervangen door minder schadelijke alternatieven. 

Chemwatch is hier om te helpen

Chemwatch wordt ondersteund door meer dan 30 jaar chemische expertise en beschikt over een uitgebreide bibliotheek met SDS- en stofgegevens. Voor meer informatie over fysische en chemische eigenschappen van stoffen, of om meer te weten te komen over onze diensten, kunt u contact met ons opnemen Contacteer de Chemwatch team vandaag of e-mail sa***@ch*******.net . 

Bronnen:

• https://www.nature.com/articles/s41563-020-00819-x
• https://www.sciencedirect.com/topics/neuroscience/zeolite 
• https://en.wikipedia.org/wiki/Zeolite 
• https://newatlas.com/science/catalyst-methane-methanol-room-temperature/
• https://newatlas.com/materials/catalyst-mixed-plastic-waste-propane-recycle/
• https://newatlas.com/environment/zeolite-foam-carbon-capture/ 
• https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acsami.9b11399