Synthesis and characterization of MCM-56 zeolite monolayers and metal nanoparticle composites

Zeolity w postaci nanowarstw, otrzymywane przez eksfoliację dwuwymiarowych prekursorów, stanowią obiecującą grupę materiałów porowatych dzięki zwiększonej dostępności centrów aktywnych i skróconej drodze dyfuzji reagentów. Monowarstwy zeolitu MWW uzyskane metodą chemicznej eksfoliacji zeolitu MCM‑56, stwarzają możliwość konstruowania nanokompozytów hierarchicznych o jednoczesnej mikroporowatości i mezoporowatości. Celem pracy była synteza i charakterystyka materiałów kompozytowych opartych na monowarstwach zeolitowych, modyfikowanych nanocząstkami krzemionki lub jonami ceru. W badaniach wykorzystano stabilne roztwory koloidalne monowarstw, które następnie poddawano modyfikacjom: interkalacji nanocząstkami krzemionki w różnych proporcjach wagowych z wykorzystaniem liofilizacji oraz wytrącania jonami amonowymi jako metodę izolacji lub wymianie jonowej jonami ceru(III), pełniącymi jednocześnie funkcję czynnika strącającego. Otrzymane materiały scharakteryzowano za pomocą rentgenowskiej dyfrakcji proszkowej, spektroskopii w podczerwieni z wykorzystaniem cząsteczek sond (CO, pirydyna) oraz niskotemperaturowej sorpcji azotu. Wprowadzenie nanocząstek krzemionki doprowadziło do powstania dodatkowych mezoporów i zwiększenia powierzchni zewnętrznej. Strącanie jonami amonowymi pozwala na lepsze zachowanie mikroporowatości niż liofilizacja. Wymiana jonowa przed kalcynacją okazała się kluczowa dla uzyskania wysokiego stężenia centrów Brønsteda. Modyfikacja cerem umożliwiła otrzymanie materiałów o wysokim stężeniu centrów Brønsteda i zdolności do utleniania tlenku węgla w temperaturze pokojowej, co wskazuje na potencjał katalityczny powstałego kompozytu.

Zeolites in the form of nanosheets, obtained by exfoliation of two-dimensional precursors, represent a promising group of porous materials due to their enhanced accessibility of active sites and shortened diffusion pathways for reactants. MWW zeolite monolayers, produced by chemical exfoliation of the MCM‑56 zeolite, enable the construction of hierarchical nanocomposites combining both microporosity and mesoporosity. The aim of this work was the synthesis and characterization of composite materials based on zeolite monolayers, modified with silica nanoparticles or cerium ions. Stable colloidal suspensions of the monolayers were employed in the study and subsequently subjected to various modifications: intercalation with silica nanoparticles at different weight ratios followed by lyophilization, precipitation with ammonium ions as an isolation method, or ion exchange with cerium(III) ions, which simultaneously acted as a precipitating agent. The obtained materials were characterized by powder X‑ray diffraction, infrared spectroscopy using probe molecules (CO, pyridine), and low-temperature nitrogen sorption. Incorporation of silica nanoparticles led to the formation of additional mesopores and an increase in external surface area. Precipitation with ammonium ions enabled better preservation of microporosity compared to lyophilization. Ion exchange prior to calcination proved crucial for achieving a high concentration of Brønsted acid sites. Modification with cerium allowed for the preparation of materials with a high density of Brønsted acid sites and the ability to oxidize carbon monoxide at room temperature, demonstrating the catalytic potential of the resulting composite.