Промышленные катализаторы на основе цеолитов давно доказали свою эффективность — их нанопоры работают как точные фильтры, контролируя движение молекул и металлических кластеров. Это повышает активность, избирательность и стабильность катализаторов. Но чтобы улучшать их, нужно точно понимать, как внутри этих нанопор происходят процессы переноса и реакции. Проблема в том, что описать это математически крайне сложно — на таком масштабе даже измерить перемещение частиц непросто.

Группа ученых из Даляньского института химической физики (Китайская академия наук) и Университета Фучжоу предложила модель, которая объясняет, как металлические кластеры перемещаются и слипаются внутри цеолита.

Исследование опубликовано в Nature.

С помощью компьютерного моделирования ученые изучили поведение кластеров в нанопорах цеолита S-1 и впервые создали теорию, описывающую их движение.

Модель показала, что размер кристаллов цеолита влияет на распределение металлических частиц во времени и пространстве.

Эксперименты подтвердили ее точность.

Оказалось, что в цеолите конкурируют два процесса:

• кластеры могут слипаться у поверхности, образуя крупные, но малоактивные наночастицы,
• или внутри пор, создавая высокоактивные субнанометровые структуры.

Если длина кристалла S-1 превышает 2 микрона, частицы платины (Pt) дольше мигрируют внутри пор и в итоге «застревают» там, образуя стабильные кластеры. Это предотвращает дезактивацию катализатора. На основе этого механизма ученые разработали стратегию: увеличили кристаллы S-1, чтобы „поймать“ платину в порах. Так получился сверхустойчивый катализатор Pt-Sn@MFI для дегидрирования пропана.

Наша модель количественно описывает движение кластеров в цеолите и помогает управлять их поведением за счет изменения свойств носителя, — пояснил профессор Е Мао.

Этот прорыв позволяет предсказывать и контролировать деградацию катализаторов — ключевую проблему нефтехимии. Например, в процессе дегидрирования пропана катализаторы быстро теряют активность из-за спекания металлов. Новая модель дает инструмент для создания материалов, где кластеры фиксируются в оптимальном состоянии, продлевая срок службы в разы. Кроме того, подход можно адаптировать для других реакций, где важна стабильность наночастиц — от синтеза полимеров до очистки выбросов.

Модель пока проверена только для Pt-Sn в S-1. Цеолиты имеют десятки структур с разным размером пор — нужно доказать, что метод работает для других типов, например, ZSM-5 или Y-цеолитов. Также неясно, как скажутся примеси в промышленных условиях.

Ранее ученые упростили синтез цеолита.