MAS-NMR-Spektroskopie und die Struktur der Zeolithe

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Abstract

Struktur und chemische Eigenschaften machen Zeolithe zu ungemein wichtigen Katalysatoren und Sorbentien. Die hochauflösende Festkörper-Kernresonanzspektroskopie mit Probenrotation um den magischen Winkel (“Magic Angle Spinning” (MAS)-NMR-Spektroskopie) ermöglicht neue Einblicke in ihre Struktur. Durch 29Si-MAS-NMR-Spektroskopie lassen sich eindeutig und quantitativ die fünf verschiedenen Strukturelemente Si(OAl)n(OSi)4-n (n=0,1 … 4) des Zeolithgerüsts nachweisen, welche der ersten tetraedrischen Koordinationssphäre eines Siliciumatoms entsprechen. Viele katalytische und andere chemische Eigenschaften der Zeolithe werden durch die Si, Al-Nahordnung bestimmt, deren Natur anhand von 29Si-MAS-NMR weithin erkennbar wird. So zeigt sich, daß es sowohl im Zeolith X als auch im Zeolith A (mit Si/Al=1.00) keine Al[BOND]O[BOND]Al-Verknüpfungen gibt, wie man es nach dem Paulingschen Elektroneutralitätsprinzip und der Loewenstein-Regel erwartet. In Zeolith A und Zeolith X mit Si/Al=1.00 sind Si und Al strikt alternierend auf die Tetraederplätze verteilt. Modelle der Si,Al-Ordnung für Si/Al-Verhältnisse bis zu 5.00 (im Zeolith Y) können ebenfalls durch eine Kombination von MAS-NMR-Experimenten und mathematischer Analyse erhalten werden. 29Si-MAS-NMR-Spektren offenbaren, daß zahlreiche kristallographisch verschiedene Si(OSi)4-Plätze in Silicalit und ZSM-5 vorliegen, woraus folgt, daß die korrekte Raumgruppe für diese verwandten Porosilicate nicht Pnma ist. 27Al-MAS-NMR-Spektren führen zur eindeutigen Unterscheidung von tetraedrisch und oktaedrisch koordinierten Aluminiumatomen und beweisen somit, daß im Gegensatz zu früheren Angaben Al-Atome im synthetischen Zeolith-Katalysator Silicalit auf Tetraederplätze des Gerüstes eingebaut werden. Die Kombination von 29Si- und 27Al-MAS-NMR ergibt ein ausgezeichnetes Meßverfahren, um den Ablauf von Prozessen in Festkörpern (wie die Ultrastabilisierung von synthetischen Faujasiten) und von Gas-Festkörper-Reaktionen (wie die Desaluminierung der Zeolithe durch SiCl4-Dampf bei erhöhter Temperatur) zu verfolgen. Sie ermöglicht auch die quantitative Bestimmung des Si/Al-Verhältnisses im Gerüst für den Bereich 1.00 < Si/Al<10000. Da viele Elemente des Periodensystems in die Zeolithstrukturen eingebaut werden können, entweder als Teil der austauschbaren Kationen oder als Bestandteil des anionischen Gerüstes, bieten sich zahlreiche Möglichkeiten, mit MAS-NMR-Spektroskopie und ihren Varianten (Kreuzpolarisation, Multipelpuls und Probenrotation mit variablem Winkel) das Kristallinnere, die Oberfläche und die chemischen Eigenschaften zu untersuchen. Einige der Richtungen, in denen künftige Forschung an Zeolithen voranschreiten könnte, werden in diesem Beitrag umrissen.

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