一种新的数学方法来理解沸石

沸石是一种天然或人造的矿物,具有海绵状的结构,上面布满了细小的孔洞,这使得它们可以用作催化剂或超细过滤器。但是,在理论上可能存在的数百万种沸石成分中,迄今为止只有248种被发现或制成。现在,麻省理工学院的研究有助于解释为什么只发现了这一小部分,并可能帮助科学家找到或生产更多具有理想性能的沸石。

这项新发现发表在本周的《自然材料》(Nature Materials)杂志上,发表在麻省理工学院(MIT)研究生丹尼尔•施瓦尔比-科达(Daniel Schwalbe-Koda)和扎克•詹森(Zach Jensen)、埃尔莎•奥利维蒂(Elsa Olivetti)教授和拉斐尔•戈麦斯-庞巴迪(Rafael gomez – bomarelli)教授的论文中。

以前曾试图找出为什么只有这一小部分可能的沸石成分被发现,并解释为什么某些类型的沸石可以转化成其他特定类型的沸石,但都未能提出与观测数据相匹配的理论。现在,麻省理工学院的研究小组开发了一种数学方法来描述不同的分子结构。该方法是基于图论的,它可以预测哪些类型的沸石可以从一种转化为另一种。

这可能是为特定目的找到制造沸石方法的重要一步。它也可能导致新的生产途径,因为它预测了一些以前没有观察到的转变。同时,它也暗示了产生以前从未见过的沸石的可能性,因为一些预测的配对会导致转变成新的沸石结构。

Interzeolite变化

沸石目前广泛应用于催化炼油厂石油的“裂化”和吸收异味作为猫砂填料的成分。如果研究人员能够创造出新型的沸石,例如孔径大小适合特定过滤类型的沸石,可能会有更多的应用。

各类沸石均为硅酸盐矿物,其化学组成与石英相似。事实上,在地质时间尺度上,它们最终都会变成石英——一种密度大得多的矿物。但与此同时,它们处于“亚稳态”状态,有时可以通过施加热量或压力或同时施加热量或压力而转变为另一种亚稳态状态。其中一些转变是众所周知的,并已用于从更容易获得的自然形式生产所需的沸石品种。

目前,许多沸石是使用一种称为OSDAs(有机结构导向剂)的化合物来生产的,这种化合物为沸石的结晶提供了一种模板。但是gomez – bomarelli说,如果它们可以通过另一种现成的沸石形式的转化而产生,“那真的很令人兴奋。”如果我们不需要使用OSDAs,那么(生产这种材料)就会便宜得多。这种有机材料很贵。我们所能做的一切都是为了避免有机物,这让我们离工业化生产更近了一步。”

研究人员发现,对不同沸石化合物的结构进行传统的化学建模,并不能提供找到能容易地从一种沸石转变成另一种沸石的真正线索。结构相似的化合物有时不受这种转化的影响,而其他结构非常不同的化合物则很容易相互交换。为了指导他们的研究,该团队使用了一个人工智能系统,该系统是由Olivetti集团之前开发的,该系统“阅读”了7万多篇关于沸石的研究论文,并选择了那些专门识别沸石间转化的论文。然后,他们详细研究了这些配对,试图找出共同的特征。

他们发现,基于图论的拓扑描述,而不是传统的结构建模,可以清楚地识别相关的配对。这些基于图表的描述,基于固体中化学键的数量和位置,而不是它们的实际物理排列,表明所有已知的配对几乎都有相同的图表。在未进行变换的对中没有发现这样的相同的图。

这一发现揭示了一些以前不为人知的配对,其中一些与之前未被确认的实验室初步观察结果相符,从而有助于验证新模型。该系统还成功地预测了哪些类型的沸石能够形成两种类型的混合生长,这种混合生长就像双手交叉的手指一样。这样的组合也具有商业价值,例如使用不同的沸石材料连续催化步骤。

进一步研究的时机已经成熟

这些新发现也可能有助于解释为什么许多理论上可能存在的沸石结构实际上似乎并不存在。由于有些形式很容易转变成其他形式,可能有些形式转变得太快了,以至于它们自己都没有被观察到。使用基于图的方法进行筛选可能会揭示一些未知的配对,并显示为什么那些短暂的形式没有被发现。

根据图表模型,一些沸石分子筛“没有具有相同图表的假想伙伴,因此试图改造它们没有意义,但有些沸石分子筛有成千上万的伙伴”,因此进一步研究的时机已经成熟,gomez – bomarelli说。

原则上,这些新发现可能会导致各种新型催化剂的发展,使之与它们所要促进的化学反应相一致。gomez – bomarelli说,几乎任何想要的反应都可以假设找到合适的沸石材料来促进它。

他说:“实验人员对于找到一种语言来描述他们的预测转换非常兴奋。”

这项工作是“一个重大进步的理解interzeolite转换,已成为一个越来越重要的主题由于潜在的使用这些流程改善的效率和经济商业沸石生产,”Jeffrey绞刀说副教授大学化学和生物分子工程学休斯顿,他并没有参与这项研究。

Manuel风车式的,终身技术大学的科学家瓦伦西亚,在西班牙,也没有连接到这个研究,说:“理解对参与特定interzeolite转换,不仅考虑已知的沸石,数以百计的假想的沸石,没有过合成,提供非凡的实际机会合理化和直接与潜在利益目标的合成沸石作为工业催化剂。”

新闻旨在传播有益信息,英文原版地址:http://news.mit.edu/2019/identify-zeolites-transform-1007

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