日本產業技術綜合研究所(AIST)、新能源產業技術綜合開發機構(NEDO)等組成的研究團隊開發出一項可事先排列、組裝沸石(Zeolite)之基本結構的新合成技術,並解明了相關構造細節。
AIST過去已開發出二氧化矽(SiO2)基本單位之原矽酸(Si(OH)4)、原矽酸的二聚體、環狀三聚體、環狀四聚體、籠狀八聚體(Q8H8)、籠狀十二聚體(Q12H12)的合成/分離技術。近期又注意到Q8H8的8個頂點上放射狀存在的氫氧基(Hydroxy Group),並開發出以氫結合使Q8H8建構了1D、2D、3D狀網絡而形成「氫結合性無機結構體(Hydrogen-bonded Inorganic Framework; HIF)」。
研究團隊推測只要讓HIF結晶維持在基本的塊狀(Block),意即保有結晶性質的前提下進行脫水縮合(Dehydration Condensation),將可開發出比過往更合理的沸石合成技術。藉此研究團隊發現了可維持Q12H12由來之HIF結晶特性並進行脫水縮合的製程,成功開發出新的沸石合成手法,並將形成新結構的合成沸石命名為UPZ-1(Unit-Preorganized Zeolite)。
新的合成手法係先以酸性條件進行脫水縮合後再進行高溫加熱。對於HIF結晶在前段反應以醋酸做為溶媒並加入反應促進劑的胺或季胺鹽之後,再以140℃加熱。藉此促進了部分的脫水縮合,得到的反應中間體再次以750 ℃加熱,進行完整的脫水縮合,最終成功合成出沸石(UPZ-1)。
以光學顯微鏡進行觀察可知所得的UPZ-1約80 μm,以沸石而言是極大的結晶,且結晶外形與初始原料的HIF結晶一樣。此外,經過單晶X射線結構解析比較UPZ-1與初始原料的HIF結晶發現,HIF結晶中的氫鍵構成的矽4員環與矽8員環的氫結合部位,在UPZ-1中則是維持Q12H12排列的情況下變成了矽氧烷結合。
具備高耐熱性或配合反應所需之細孔尺寸的沸石可望做為觸媒或分子篩(Molecular Sieve)予以利用。研究團隊今後將製作更多樣化的HIF結晶,以實現各種需求的高機能沸石之合成。