MIT新玩法,数学也能合成沸石?


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[导读]  沸石是一类天然或人造矿物,具有海绵状结构,表面布满微孔,可用作催化剂或超细过滤器。但目前为止,理论上数百万种沸石组合物中,仅发现或制造了约248种。现在,麻省理工学院的最新研究有助于解释为什么只发现了这一小部分,并可以帮助研究人员发现或生产更多具有所需性能的沸石。

中国粉体网讯  沸石是一类天然或人造矿物,具有海绵状结构,表面布满微孔,可用作催化剂或超细过滤器。但目前为止,理论上数百万种沸石组合物中,仅发现或制造了约248种。现在,麻省理工学院的最新研究有助于解释为什么只发现了这一小部分,并可以帮助研究人员发现或生产更多具有所需性能的沸石。



传统沸石结构示意图©MIT


麻省理工学院的研究生丹尼尔·施瓦贝·科达和扎克·詹森,以及艾尔莎·奥利维蒂教授和拉斐尔·戈麦斯·邦巴雷利教授在《自然材料》杂志上报道了这一新发现。


先前尝试找出为什么只识别出这小部分可能的沸石成分,并解释为什么某些类型的沸石可以转化为特定的其他类型的尝试,却未能提出与观察到的数据相匹配的理论。现在,麻省理工学院的团队已经开发出一种基于图论的数学方法来描述不同的沸石分子结构。该方法可以预测哪些沸石可以从一种类型转化为另一种。


这可能是寻找制造“私人定制”沸石方法的关键一步。由于它可以预测以前未曾观察到的某些沸石转变,因此也可能发现新的生产途径。并且,它带来了生产新沸石的可能性,因为某些预测的配对将转变为新型的沸石结构。


各种沸石都是硅酸盐矿物,化学成分与石英相似。实际上,在地质时间尺度上,它们最终都将转变为石英。但是与此同时,它们处于“可变换”形式,有时可以通过施加热量或施加压力或同时施加热量和压力将其转变为不同的亚稳态形式。这些转化中的一些是已知的,并且已经用于从更容易获得的天然形式生产所需的沸石品种。


当前,许多沸石是通过使用称为OSDA(有机结构定向剂)的化合物生产的,这些化合物提供了一种结晶模板。但是戈麦斯-邦巴拉利(丰田公司材料加工助理教授)表示,如果可以通过转化另一种易于获得的沸石来生产新沸石,那将是让人激动的事。因为如果我们不需要使用OSDA,那么我们就可以大幅度的降低生产成本。有机材料昂贵的价格某种程度上限制了沸石工业化发展。


研究人员发现,对不同沸石化合物的结构进行传统的化学建模,并没有找到找到可以容易地从一种转化为另一种的沸石对的线索。在结构上看起来相似的化合物有时不会进行此类转化,而其他非常相似的化合物对很容易互换。为了指导他们的研究,该团队使用了由Olivetti小组先前开发的人工智能系统来“阅读”超过70,000篇关于沸石的研究论文,并选择专门鉴定沸石间转化的论文。然后,他们详细研究了这些对,以尝试确定共同的特征。


他们发现,基于图论而不是传统的结构建模的拓扑描述清楚地标识了相关的配对。这些基于图的描述基于固体中化学键的数量和位置,而不是其实际物理排列,表明所有已知的配对都具有几乎相同的图。在未进行转换的对之间未找到此类相同的图。


该发现揭示了一些以前未知的配对,其中一些与先前尚未鉴定出的初步实验室观察结果相匹配,从而有助于验证新模型。该系统还成功地预测了哪些类型的沸石可以共生——形成两种类型的组合,这些类型的交织就像两只紧握的手。这样的组合在商业上也是有用的,例如用于使用不同沸石材料的连续催化。

 

新的发现也可能有助于解释为什么许多理论上可能的沸石形成似乎并不存在。由于某些形式很容易转换为其他形式,因此可能其中某些形式转换得如此之快,以至于无法独立观察。使用基于图的方法进行筛选可能会揭示其中的一些未知配对,并说明为什么看不到那些短暂的形式。


根据图模型,一些沸石“在相同的图中没有假设的配对,因此尝试对其进行转化没有任何意义,但有些沸石具有数千个配对”,因此进一步研究的时机已经成熟。科研人员人员很高兴找到一种语言来描述其可预测的变化。



原则上,这些新发现可能会导致开发出各种新型催化剂,并根据它们要促进的确切化学反应进行调整。几乎所有需要的反应都可以假设找到合适的沸石材料来促进它。


休斯顿大学的生物分子工程专业化学副教授杰弗里·里默(Jeffrey Rimer)认为:“这项工作是对分子间转变的理解的一项重大进步,由于使用这些工艺可以提高商业沸石生产的效率和经济性,这已经成为越来越重要的话题”。


西班牙瓦伦西亚技术大学的终身科学家曼努埃尔·莫利纳(Manuel Moliner)也认为:“了解特定的沸石间转变涉及的分子对,不仅要考虑已知的沸石,还要考虑数百种从未被合成过的假想沸石。这个新的方法为合理化和指导可能作为工业催化剂沸石的合成提供了特殊的实践机会。”


(中国粉体网编辑整理/江岸)

资料来源:MIT官网


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