Исследователи из США смогли преодолеть одну из значительных проблем, затруднявших крупномасштабное производство нанолистов цеолитов (zeolite nanosheets), что, в перспективе, может значительно упростить промышленный синтез этих систем, разнообразных по структуре и областям их применения.

Потенциальной областью применения нанолистов цеолитов могут быть, например, молекулярные сита, позволяющие разделять молекулы по их размеру или каталитические мембраны.

Рис. 1. Структура нанолистов цеолитов делает
эти материалы идеальными для разделения молекул
разного размера. (Рисунок из Science, 2011, 334, 72
(DOI: 10.1126/science.1208891)).

В настоящее время синтез нанолистов цеолитов затруднен благодаря сложности практической реализации одного важного этапа. Для получения отдельных нанолистов цеолитов необходима стадия отшелушивания, однако при таком отшелушивании происходит агрегация отдельных листочков и деформация кристаллической решетки цеолитов, приводящая к образованию точечных отверстий, размеры которых больше размеров пор цеолитов.

Исследователям из группы Майкла Цапациса (Michael Tsapatsis) из Университета Миннесоты удалось найти способ преодоления этой проблемы.

Исследователи создали слоистые силикалиты цеолитов и смешали их с расплавленным полистиролом, получив нанокомпозитные материалы, содержащие нанолисты цеолитов с двумя различными типами структур – MFI и MWW.

Попытки удаления полистироловой матрицы от нанокомпозитов с помощью прокаливания и других химических операций из-за образования скрученных наночастиц, которые не было возможно использовать для дальнейшего нанесения на ровную поверхность. Исследователям удалось решить проблему получения нанолистов цеолитов нужного качества, используя ультразвуковую обработку суспензии нанокомпозитов в толуоле с последующим центрифугированием для удаления больших по размеру частиц – все это позволило получить хлопьеподобные кристаллические нанолисты цеолитов, которые характеризовались однородной толщиной 2.6 и 3.4 нм для структур MMW и MFI соответственно. Для получения цеолитных мембран полученные нанолисты были использованы для нанесения на мембрану из оксида алюминия и грубую подложку из альфа-формы оксида алюминия, последующее прокаливание позволило получить систему гладких, плотно упакованных слоев.

Рионг Риу (Ryong Ryoo), первым получивший нанолисты цеолита формы MFI в 2009 году, отмечает, что исследователи из группы Цапациса практически не столкнулись с проблемой образования точечных отверстий. Толщина полученных новым способом отдельных нанолистов цеолита обеспечивает их достаточную гибкость, что позволяет наносить их на пористую подложку даже в том случае, если поверхность этой подложки характеризуется некоторыми дефектами.

Полученные структуры с нанесенным на них покрытием без предварительной обработки не могут применяться в качестве молекулярных сит – они не могут различить орто- и пара-изомеры ксилола, однако эта проблема решается с помощью гидротермической обработки, способствующей уменьшению расстояния между нанолистами. После этой обработки ноное молекулярное сито оказывается эффективным не только для разделения смесей о- и п-ксилола, но и газовых смесей водород-гелий и гелий-азот.

Цапацис отмечает, что разработанная в его группе методика может быть применима к любым цеолитам или другим молекулярным ситам, которые должны характеризоваться слоистой структурой.