MESOPOROSIDAD - UNA NUEVA DIMENSIÓN PARA LAS ZEOLITAS -

Las sílicas mesoestructuradas se sintetizaron por primera vez en 1992, por la Coorporación Mobil. (1) Desde su aparición han despertado gran interés debido a sus propiedades tales como: estrecha distribución de tamaño de poro en el rango de la mesoporosidad (2-50 nm), elevada área superficial (> 700 m²g^-1) y gran volumen de poro (> 0,7 cm³g^-1). Los primeros sólidos mesoporosos ordenados sintetizados de manera exitosa fueron los de la familia M41S (MCM-41, MCM-48, MCM-50). Otra sílice mesoestructurada es la SBA-15, la cual fue sintetizada inicialmente en 1998 en la Universidad de California, en Santa Bárbara por los profesores D. Zhao y G. Stucky (1).

MEB Zeolita ZSM-5 tomada por enQuímica.com en
CME Ciencias UCV

La síntesis de estos materiales mesoporosos ordenados requiere el empleo, en disolución acuosa, de moléculas tensoactivas, generalmente conocidas como surfactantes. Bajo ciertas condiciones, estas moléculas forman agregados denominados micelas. Las micelas se agrupan formando estructura supramicelares y, durante la síntesis, los oligómeros de silicatos presentes en solución acuosa, condensan alrededor de estas micelas que actúan a modo de plantilla. Luego, mediante eliminación del material orgánico, por calcinación o extracción con disolventes, se obtiene la matriz silícea con un conjunto de cavidades que generan la porosidad del material. Estos sistemas de poros son mayores a los microporos como los de las zeolitas y permiten alojar en el interior de dichos poros especies voluminosas activas, lo cual representa una ventaja frente a sistemas con microporos. A pesar de ello, se ha observado que estos materiales presentan una baja estabilidad hidrotérmica y una acidez limitada (2).

Por otro lado, el sistema microporoso en las zeolitas les confiere importantes propiedades de selectividad y funcionalidad química. Sin embargo, en algunos casos, las propiedades catalíticas de las zeolitas pueden estar limitadas por problemas de transporte debido a la lenta difusión de los reactivos y productos en los microporos. (2) A su vez, los materiales mesoporosos, tales como MCM-41 y SBA-15, no presentan tales problemas de difusión debido al tamaño de sus poros, pero poseen poca acidez y baja estabilidad hidrotérmica, lo cual los inhabilita como catalizadores u otras aplicaciones. Por ello, existe el interés en la síntesis de materiales con meso y micro poros que combinen las bondades de las zeolitas con las ventajas de los mesoporosos.

Existen investigaciones que distinguen varias estrategias para obtener un sistema secundario de poros en las zeolitas. Los mesoporos en las zeolitas pueden ser construidos mediante un comprimido intracristalino de cristales de zeolitas, es decir, que las paredes entre cada mesoporo están constituidas por zeolitas cristalinas. Tal como parece, estos materiales compuestos contienen todas las ventajas de las zeolitas microporosas, ya que están formados por zeolitas, mientras ofrecen un camino adicional para la difusión de las moléculas de mayor tamaño a través de los mesoporos. (3)

En estas investigaciones, se presentan dos procesos mediante los cuales es posible la obtención de tales zeolitas mesoporosas. En el primero se introduce el mesoporoso dentro del armazón de una zeolita cristalina tipo sodalita, dicha incorporación genera un sistema dual de poros. En el segundo caso, mediante la mezcla de oligómeros de silica cargados negativamente y moléculas de surfactante cargado positivamente se obtiene el material mesoporoso, el cual mediante un proceso de zeolitización de las paredes del mesoporoso se convierte en un material mesoporoso zeolítico.

Se distinguen cuatro estrategias principales para la obtención de estas zeolitas mesoporosas. La primera, usando dos tipos de templantes, el agente director de estructura común para la síntesis de la zeolita y adicionalmente un templante secundario para mesoestructurar los cristales de la zeolita. La segunda, usando un sólo, pero multifuncional, templante el cual debe contener una parte que dirija la estructura de micro escala y la otra la meso escala, en la misma molécula. La tercera, manipulando las condiciones de reacción de tal forma de no necesitar la adición de un segundo templante. Y la cuarta, mediante el ensamblaje de la mesoestructuras a partir de zeolitas pre fabricadas.(3)

Adicionalmente, se han descrito en la literatura otros procedimientos  para la síntesis de este tipo de materiales. Algunos basados en la generación de mesoporos mediante tratamientos con vapor de agua y tratamiento con ácidos, básicos o químicos sobre los cristales de zeolita. Sin embargo, estos métodos provocan un deterioro importante de la estructura zeolítica. Otra manera de crear mesoporosidades es mediante la incorporación de sólidos rígidos como agentes directores de estructura, utilizándose para ello nanofibras, esferas de poliestireno o nanotubos de carbono, y éstos, posteriormente son eliminados por calcinación. Se ha podido demostrar que la actividad catalítica de estos materiales ha mejorado debido a su mejor difusión de las moléculas. (4)

Podemos agregar que, dada la existencia de esta amplia variedad de procedimientos para la obtención de las  zeolitas jerárquicas o zeolitas mesoporosas, no puede hablarse de mejor o peor método sino, que debe seleccionarse el procedimiento de acuerdo a las propiedades necesarias en el producto final, como la porosidad, la estabilidad y la reactividad, entre otras.

Trabajos citados:

(1) D. Y. Zhao, J. L. Feng, Q. S. Huo, N. Melosh, G. H. Fredrickson, B. F. Chmelka y G. D. Stucky. Triblock copolymer synthesis of mesoporous silica with periodic 50 to 300 angstrom pores. 1998. págs. 548-552.

(2) Carmen M. López, Virginia Sazo, Caribay Urbina,María G. García. Tamices moleculares que combinan micro y meso porosidad: una revisión. s.l. : Avances en Química, 2009. págs. 113-125. Vol. 4(3). 

(3) Bein, Karin Möller and Thomas. Mesoporosity – a new dimension for zeolites. s.l. : Chem. Soc. Rev, 2013. págs. 3689-3707. Vol. 42.

(4) Benavent, Vicente Juan Margarit. Síntesis y caracterización de zeolitas micro-mesoporosas obtenidas a partir de surfactantes bifuncionales. s.l. : Instituto de Tecnología Química. Proyecto de Maestría, 2005. Vols. 1-62.