中国科学院青島生物エネルギー・生物プロセス研究所（QIBEBT）の研究チームは最近、画期的なアルミノシリケートゼオライト ZMQ-1 を開発しました。これは、従来型ゼオライトが巨大分子の処理において抱えていた細孔径、安定性、触媒効率などの制限を克服し、石油化学産業の触媒プロセスに大きな進展をもたらすものです。この研究成果は科学雑誌「ネイチャー」（Nature）に掲載され、ZMQ-1 が内部で相互接続された 28員環メソ孔構造を持つ初のアルミノシリケートゼオライトであることが示されました。
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ZMQ-1 の革新的な構造と設計
ゼオライトは、水を含む骨格構造を持つアルミノケイ酸塩鉱物であり、微孔構造を持つ結晶性物質です。他の物質の分子を吸着または濾過できるため、「分子ふるい」（Molecular sieve）とも呼ばれ、イオン交換、吸着、触媒などの分野で広く応用されています。日常生活では、吸着剤や乾燥剤、触媒または助触媒、洗剤、建材などとして使用できます。しかし、従来のゼオライトの微孔サイズは 2 ナノメートル未満であり、巨大分子の処理には限界がありました。
従来、研究者らは酸やアルカリによるエッチングなどの後処理によってメソ孔（2～50 ナノメートル）またはマクロ孔（50 ナノメートル超）を導入し、微孔、メソ孔、マクロ孔が複合した「多階層孔」または「階層孔」分子ふるい材料を得ようと試みてきましたが、これらの後から導入された孔は通常サイズが不均一であり、分子ふるいの結晶度、構造安定性、酸強度を低下させ、工業用途のニーズを満たすことが困難でした。
ZMQ-1 はこのボトルネックを打破し、28×10×10員環で構成される独自の交差中微孔チャネルシステムを備えており、その28員環メソ孔サイズは 22.32×11.84 オングストロームに達し、メソ孔の範囲に入ります。研究チームは、三次元電子線回折（3D ED）と走査型透過電子顕微鏡（STEM）技術を用いて ZMQ-1 の構造を分析した結果、その28員環メソ孔が10員環微孔ウィンドウを介して相互に接続され、効率的なチャネルシステムを形成していることが示されました。これにより、巨大分子と小分子の両方がスムーズに拡散できるようになり、従来のゼオライトの拡散制限問題が解決されました。
合成戦略と安定性向上
ZMQ-1 の合成成功は、リンベースの有機構造指向剤（OSDA）に基づいています。従来のアンモニウムベースの OSDA と比較して、リンベースの OSDA はより強力な正電荷とより高い安定性を持ち、安定したメソポーラス骨格の形成を促進することができます。さらに、ZMQ-1 の結晶化は、特定の用途に合わせてカスタマイズできる、調整可能なケイ素/アルミニウム（Si/Al）比を持つ水熱合成によって実現されます。
彭璐教授は、「ZMQ-1 は、内部に中微孔チャネルシステムを持つ最初のアルミノシリケートゼオライトです。有機テンプレート除去後に構造が損傷しやすい過去のメソポーラス材料とは異なり、ZMQ-1 の 28員環相互接続チャネルは、ゼオライト設計における大きなブレークスルーを表しています」と述べています。
触媒応用における ZMQ-1 の優位性
従来のゼオライトは、その微孔制限により、重油触媒分解プロセスにおいて巨大分子を効果的に処理することが困難でしたが、ZMQ-1 は優れた触媒性能を発揮します。市販のゼオライト触媒と比較して、リンを含む ZMQ-1 ゼオライトは、重油触媒分解反応において、軽質燃料（ガソリン、ディーゼルなど）に対してより高い選択性を示し、副産物であるコークス、液化石油ガス、ドライガスの生成量が少なくなります。
さらに、ZMQ-1 はより高い熱安定性と水熱安定性を備えており、厳しい工業条件下でも性能を維持できます。このユニークなメソ孔構造と安定した化学的性質により、巨大分子の触媒変換、吸着分離などの分野で大きな応用 potential を持っています。
結論は
ZMQ-1 は、新しいタイプのアルミノシリケートゼオライトとして、その内部中微孔チャネル構造により、従来のゼオライトの細孔径制限問題を解決し、優れた触媒性能と安定性を示しています。この技術的ブレークスルーは、石油化学産業の触媒プロセス開発を促進するだけでなく、重油分解とグリーンエネルギー変換の応用にも新たな機会を創出し、将来の機能性ゼオライト材料の設計と応用の新たな可能性を開きます。
参考文献：
- 画期的な新型ゼオライト分子ふるい、より効率的に重油を高価値燃料に転換
- Breakthrough New Material Transforms Heavy Oil Into High-Value Fuels
- Peng Lu, Jiaoyan Xu, Yiqing Sun, Rémy Guillet-Nicolas, Tom Willhammar, Mohammad Fahda, Eddy Dib, Bo Wang, Zhengxing Qin, Hongyi Xu, Jung Cho, Zhaopeng Liu, Haijun Yu, Xiaobo Yang, Qiaolin Lang, Svetlana Mintova, Xiaodong Zou & Valentin Valtchev.(2024) A stable zeolite with atomically ordered and interconnected mesopore channel, Nature, 636, 368–373. DOI: 10.1038/s41586-024-08206-1
最初の画像の出典：《Nature》
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