I setacci molecolari sono particolari materiali in grado di separare le molecole in base alla loro forma e dimensioni. Si tratta principalmente di alluminosilicati sintetizzati artificialmente o di zeoliti naturali. Possiedono dei pori di dimensioni uniformi, canali e cavità ben disposti all’interno della loro struttura, e possiedono specifiche funzioni come adsorbimento, catalisi e scambio ionico, che conferiscono loro enormi potenzialità in vari campi applicativi, come l’energia e l’ingegneria petrolchimica, la sicurezza ambientale (riduzione dell’inquinamento atmosferico) e la biomedicina.
Vi sono diverse tipologie di setacci molecolari che si differenziano principalmente per la dimensione dei pori e dunque per il tipo di sostanza che sono in grado di adsorbire. Sono impiegati come essiccanti, per la separazione e la purificazione di gas, e per le separazioni in fase liquida.
Fu nel 1925 che si osservò per la prima volta la proprietà di separazione molecolare di una zeolite, e fu allora che venne coniato il termine di “setaccio molecolare” [1]. Tuttavia, le piccole dimensioni dei pori dei setacci molecolari di zeolite (tipicamente da 3 a 10 angstrom) limitarono il loro campo di applicazione, di conseguenza i ricercatori rivolsero la loro attenzione allo sviluppo di materiali mesoporosi con dimensioni dei pori maggiori. I materiali mesoporosi hanno un’area superficiale estremamente elevata, strutture dei pori regolarmente ordinate e dimensioni dei pori regolabili in maniera continua.
La dimensione e la distribuzione granulometrica delle particelle, la struttura dei pori e la dimensione dei grani cristallini sono importanti parametri fisici che influenzano direttamente le prestazioni del setaccio molecolare, in particolare per la sua funzione di catalizzatore. Pertanto, il controllo della morfologia e della dimensione di questi cristalli sono di grande importanza e sono sempre stati aspetti importanti della ricerca sui setacci molecolari.
La Microscopia Elettronica a Scansione (SEM) fornisce importanti informazioni per studiare la relazione fra la struttura e le prestazioni dei setacci molecolari, fornendo una guida per l’ottimizzazione del processo di sintesi.
Il setaccio molecolare ZSM-5, ad esempio, è una zeolite con struttura del tipo MFI: si tratta di una combinazione di due sistemi di canali interconnessi. La struttura di silicato forma canali sinusoidali a 10 anelli lungo la direzione dell’asse a, interconnessi con canali dritti a 10 anelli che corrono lungo l’asse b. La dimensione dei canali interni è mediamente di 5.4-5.6 angstrom. La selettività del prodotto, la reattività e la stabilità dei catalizzatori a setaccio molecolare di tipo MFI varia a seconda della morfologia cristallina, che è possibile caratterizzare utilizzando un SEM ad alta risoluzione (Fig.1).
Il setaccio molecolare SBA-15, invece, è un comune materiale mesoporoso a base di silicio, con una struttura a pori esagonali bidimensionali. La macrostruttura è costituita da aggregati simili a dei cordoncini, al cui interno si osservano pattern a strisce parallele con pori tubolari. La spaziatura delle frange è in genere compresa fra i 3 e i 10 nm. La maggior parte dei materiali mesoporosi non sono conduttivi e il processo di metallizzazione con oro o platino può causare l’ostruzione di questi pori, influenzando la caratterizzazione della loro microstruttura. Pertanto tali campioni di solito non vengono sottoposti ad alcun pretrattamento prima dell’osservazione al SEM, e questo richiede che il microscopio elettronico garantisca elevate prestazioni per l’imaging ad altissima risoluzione anche a tensioni di accelerazione estremamente basse.
In Fig.2 sono riportate le immagini del setaccio molecolare SBA-15 acquisite utilizzando il Microscopio Elettronico a Scansione a emissione di campo ad alta risoluzione CIQTEK SEM5000X. Le immagini sono state acquisite a 0.5 kV con detector In-Lens.
Il SEM5000X è un SEM a emissione di campo con una risoluzione fino a 0.6 nm a 15 kV e 1.0 nm a 1 kV. Dotato di una tecnologia di decelerazione in colonna, il SEM5000X supporta anche una modalità di decelerazione opzionale al livello del campione, per ridurre ulteriormente l’effetto di aberrazione e migliorare la risoluzione dell’immagine alle basse tensioni. Sotto l’influenza del campo elettrico di decelerazione, infatti, gli elettroni in uscita dal campione vengono accelerati, migliorando l’efficienza di rilevamento dei rispettivi detector e aumentando il rapporto segnale/rumore delle immagini a bassa tensione.
Note
[1] Weigel, O. and Steinhoff, E. (1925) Adsorption of organic liquid vapors by chabazite. Z. Kristallogr., 61, 125–154.
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