24.01.2023 - Consejo Superior De Investigaciones Científias (CSIC)

Neuer Weg zur Dekontaminierung von Wasser und Gas mit einem neuen extra-großporigen 3D-Zeolith

Ein extra großporiger Silika-Zeolith aus einer Silikatkette

Ein internationales Forscherteam hat unter Beteiligung des Spanischen Nationalen Forschungsrates (CSIC) den bisher porösesten stabilen Zeolithen, einen neuen Zeolithen aus reinem Siliziumdioxid namens ZEO-3, entwickelt. Dieser Zeolith wurde durch eine noch nie dagewesene topotaktische Kondensation einer 1D-Silikatkette zu einem 3D-Zeolithen gebildet. Der Prozess ist topotaktisch, weil die Struktur der Kette nicht verändert wird. Er kann zur Entfernung und Rückgewinnung flüchtiger organischer Verbindungen aus einem Gasstrom, der auch Wasser enthalten kann, eingesetzt werden. Die Entdeckung, zu der Wissenschaftler des Instituts für Materialwissenschaften von Madrid (ICMM-CSIC) und des Instituts für Nanowissenschaften und Materialien von Aragon (INMA-CSIC-UNIZAR) beigetragen haben, wird in der Zeitschrift Science veröffentlicht .

Zeolithe sind mikroporöse Silikate, die eine Vielzahl von Anwendungen als Katalysatoren, Adsorbentien und Kationenaustauscher finden. Stabile Zeolithe auf Siliziumdioxidbasis mit erhöhter Porosität sind gefragt, um die Adsorption und Verarbeitung großer Moleküle zu ermöglichen, "stellen aber eine Herausforderung für unsere synthetischen Fähigkeiten dar", erklärt Miguel Camblor, Forscher am ICMM und einer der korrespondierenden Autoren der Forschungsarbeit.

Da die Poren der Zeolithe die Größe kleiner Moleküle haben, ist die Größe der zu verarbeitenden Moleküle begrenzt. Deshalb hat man immer nach Zeolithen mit größeren Poren gesucht", insbesondere nach solchen mit Poren in drei Dimensionen: "Denn wenn man eine Pore nur in einer Richtung hat, selbst wenn sie groß ist, kann sie leicht verstopft werden, aber wenn man sie in allen Dimensionen hat, ist es schwierig", betont Camblor.

Nach mehr als 80 Jahren umfassender internationaler Forschung auf diesem Gebiet hat dieses Team den porösesten stabilen Zeolithen geschaffen, der bisher bekannt ist. "Bisher waren die Zeolithe mit besonders großen Poren nicht stabil, da sie aus Germanium statt aus Silizium hergestellt wurden", sagt er. Bisherige stabile Zeolithe konnten eine Größe von bis zu 7 Angström erreichen (1 Angström ist ein Hundertmillionstel eines Zentimeters).

Letztes Jahr veröffentlichte das Forscherteam einen weiteren Artikel in Science über einen neuen Zeolith mit Aluminium und großen Poren (ZEO-1). Jetzt hat der neue Zeolith eine Zusammensetzung aus reinem Siliziumdioxid. "In beiden Zeolithen, ZEO-1 und ZEO-3, gibt es Poren, die mehr als 10 Angström erreichen", sagt Camblor.

Die Besonderheiten von ZEO-3

Dieser neue Zeolith weist zwei Besonderheiten auf: besonders große Poren in allen drei Dimensionen und seine Entstehung durch die Synthese eines eindimensionalen Kettensilikats durch Kalzinierung in einer topotaktischen Kondensation (was bedeutet, dass es ohne Veränderungen in der Kette entstanden ist).

"Das hat man noch nie gesehen", gratuliert Camblor. "Zweidimensionale bis dreidimensionale topotaktische Kondensationen waren bekannt, d.h. eine Sache, die lamellar war und durch einen ähnlichen Mechanismus zu einem Zeolithen kondensierte, aber nicht von eindimensional zu dreidimensional", fügt er hinzu.

Nach der Schaffung dieses Zeoliths begann das Team, dem auch Forscher aus Schweden, China und den USA angehören, mit seinen Eigenschaften zu experimentieren: "Da es sich um ein Material aus reinem Siliziumdioxid handelt, hat es keine katalytische Kapazität, aber es hat die Fähigkeit, sehr große Dinge zu absorbieren. Große organische Stoffe", sagt Camblor.

"Dieser Zeolith kann zur Entfernung und Rückgewinnung flüchtiger organischer Verbindungen aus einem Gasstrom eingesetzt werden, der sogar Wasser enthalten kann", erklärt er. "An einem Standort, an dem schädliche flüchtige organische Stoffe produziert werden, kann man sie dekontaminieren und nicht nur entfernen, sondern auch zurückgewinnen", veranschaulicht Camblor. Bei weiterer Forschung könnte dieser Zeolith auch bei der Katalyse und bei der Verabreichung von Medikamenten nützlich sein.

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