Cold Sintering of Zeolite 13X: Water versus Sodium Hydroxide Pathways to 99% Densification and Porosity Retention

微型多孔材料 材料科学 多孔性 烧结 沸石 化学工程 陶瓷 体积热力学 相对密度 比表面积 复合材料 热稳定性 产量(工程) 矿物学 氢氧化钠 打赌理论 表面积体积比
作者
Santhosam Gopi,Sea-Fue Wang,Clive Alan Randall,Ke Wang,Jennifer Lynn Gray
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:: e09928-e09928
标识
DOI:10.1002/smll.202509928
摘要

Abstract This investigation demonstrates the cold sintering process (CSP) enabling remarkable densification of microporous zeolite 13X while preserving intrinsic structural integrity. Using sequential one‐factor‐at‐a‐time optimization, both H 2 O‐ and NaOH‐assisted CSP pathways are comprehensively evaluated through XRD, TGA, SEM, HR‐TEM, BET analysis, and statistical validation. Water‐assisted CSP (10 wt.%, 350 MPa, 220 °C, 90 min, 5 °C min −1 ) achieves 82.1 ± 1% relative density via controlled dissolution–reprecipitation mechanisms. Heckel analysis reveals yield pressures ( P y ) = 10.93–12.20 MPa ( R 2 > 0.97), confirming a nonlinear deformation behavior. Hierarchical porosity is successfully maintained (BET surface area = 559.11 m 2 g −1 ; micropore volume = 0.28 cm 3 g −1 ). NaOH‐assisted CSP (5 M NaOH, 25 wt.%, 350 MPa, 200 °C, 60 min, 5 °C min −1 ) achieves exceptional densification of 99.1 ± 0.5% (geometric) and 98.7 ± 0.5% (Archimedes) relative density. Enhanced nonlinear densification is evidenced by reduced P y values (1.77–2.17 MPa, R 2 > 0.98). Despite near‐theoretical densification, intrinsic porosity remains intact (BET = 422.01 m 2 g −1 ; micropore volume = 0.21 cm 3 g −1 ). Statistical ANOVA analysis confirms excellent reproducibility ( F < 1 × 10 −5 , p = 0.99) and significant pressure dependency. Both pathways preserve crystallographic integrity and thermal stability to 800 °C, achieving ≈80–90% energy reduction compared to conventional sintering, demonstrating CSP's potential for sustainable ceramic processing.
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