Unraveling Zeolite Heterogeneity and Its Impact on Catalysis

化学 微型多孔材料 催化作用 沸石 表征(材料科学) 焦炭 多相催化 选择性 反应性(心理学) 蚀刻(微加工) Crystal(编程语言) 扩散 化学工程 化学物理 纳米技术 合理设计 分区 各向同性腐蚀 热液循环 单晶 分子动力学 分子筛 催化裂化 晶体生长 化学稳定性 晶体结构 大孔隙 显微镜
作者
Jiani Xu,Yang Gao,Quanzheng Deng,Xinzhi Ding,Zhengxing Qin,Y ZHANG,Qiudi Yue,Ludovica Pace,Shanfan Lin,Jing Niu,Shunsuke Asahina,Natsuko Asano,Zhaochao Xu,Lu Han,Yingxu Wei,Zhongmin Liu,Svetlana Mintova,Shutao Xu
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c05033
摘要

Zeolites exhibit complex structural heterogeneities that critically influence their catalytic behavior, yet these variations remain largely hidden within the crystal lattice. Here, we employ spatially resolved chemical etching combined with a multimodal, multiscale characterization approach to unravel four interrelated forms of heterogeneity in SAPO-34 crystals: defect zoning, silicon zoning, intergrowth zoning, and reactivity zoning. This approach integrates high-resolution SEM and TEM for 3D morphology and internal structure, structured illumination microscopy to map coke distribution on individually tracked crystals, and solid-state NMR (29Si, 1H, 19F, hyperpolarized 129Xe, and pulsed-field gradient) to probe framework environments, Brønsted acid sites, residual fluoride, micropore accessibility, and diffusion pathways. Using this top-down perspective, we reveal pronounced differences in structural stability among sub-structural units and uncover previously unrecognized X-shaped silicon zoning and an unprecedented CHA-AEI intergrowth structure with complex spatial organization. These coupled heterogeneities collectively govern crystal resistance to chemical etching and active site evolution during methanol-to-olefins conversion, thereby controlling catalytic selectivity and coke formation. This study provides an integrative, multiscale understanding of chemo-structural heterogeneity in zeolites, highlighting the potential of exploiting intrinsic imperfections for the rational design and optimization of advanced catalytic materials.
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