One-dimensional intergrowths in two-dimensional zeolite nanosheets and their effect on ultra-selective transport

沸石 材料科学 化学工程 透射电子显微镜 纳米 吸附 选择性 纳米技术 纳米片 催化作用 化学 有机化学 复合材料 工程类 生物化学
作者
Prashant Kumar,Dae Woo Kim,Neel Rangnekar,Hao Xu,Evgenii O. Fetisov,Supriya Ghosh,Han Zhang,Qiang Xiao,Meera Shete,J. Ilja Siepmann,Traian Dumitrică,Benjamin A. McCool,Michael Tsapatsis,K. Andre Mkhoyan
出处
期刊:Nature Materials [Nature Portfolio]
卷期号:19 (4): 443-449 被引量:116
标识
DOI:10.1038/s41563-019-0581-3
摘要

Zeolite MFI is a widely used catalyst and adsorbent that also holds promise as a thin-film membrane. The discovery of nanometre-thick two-dimensional (2D) MFI nanosheets has facilitated methods for thin-film zeolite fabrication that open new horizons for membrane science and engineering. However, the crystal structure of 2D-MFI nanosheets and their relationship to separation performance remain elusive. Using transmission electron microscopy, we find that one- to few-unit-cell-wide intergrowths of zeolite MEL exist within 2D-MFI. We identify the planar distribution of these 1D or near-1D-MEL domains, and show that a fraction of nanosheets have high (~25% by volume) MEL content while the majority of nanosheets are MEL-free. Atomistic simulations show that commensurate knitting of 1D-MEL within 2D-MFI creates more rigid and highly selective pores compared to pristine MFI nanosheets, and permeation experiments show a separation factor of 60 using an industrially relevant (undiluted 1 bar xylene mixture) feed. Confined growth in graphite is shown to increase the MEL content in MFI nanosheets. Our observation of these intergrowths suggests strategies for the development of ultra-selective zeolite membranes. Two-dimensional zeolite MFI nanosheets show ultra-selective separation of xylene isomers, but it was not known why this occurs. Here, using electron microscopy and atomistic simulation, it is shown that one-dimensional intergrowths of zeolite MEL enable selectivity by formation of more rigid pores.
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