Investigadores de la Academia de Innovación en Ciencia y Tecnología de Medición de Precisión (APM) de la Academia de Ciencias de China han descubierto que el agua puede activar el aluminio previamente «invisible por RMN» en la zeolita Y (USY) ultraestable, un material crítico en la catálisis.

Esta activación crea sitios ácidos sinérgicos que mejoran notablemente el rendimiento del catalizador en la conversión de éter dietílico a etileno. Los hallazgos se publicaron en la revista Journal of the American Chemical Society .

Las zeolitas son materiales microporosos con acidez ajustable, ampliamente utilizados en las industrias petroquímica y de química fina debido a su selectividad de forma, actividad y estabilidad. El agua, frecuentemente presente en procesos catalíticos, influye en la acidez de las zeolitas y la dinámica de reacción actuando como disolvente, reactivo, producto y acelerador.

Los sitios ácidos de Lewis clave (LAS) incluyen especies de aluminio con estructura tricoordinada y extra-estructura, muchas de las cuales siguen siendo «invisibles al RMN» y poco comprendidas, lo que limita el conocimiento de sus funciones catalíticas.

Para abordar esta brecha, los investigadores llevaron a cabo una investigación exhaustiva sobre las interacciones dinámicas entre las especies de Al «invisibles al RMN» y el agua en zeolitas USY deshidratadas empleando técnicas avanzadas de RMN de estado sólido combinadas con cálculos teóricos.

Los resultados demuestran que el agua sufre adsorción disociativa en sitios de Al invisibles a la RMN, lo que provoca un aumento sustancial de más del 60 % en los sitios ácidos de Brønsted (BAS), así como la formación de sitios ácidos sinérgicos de Brønsted/Lewis. Esta transformación mejora drásticamente la actividad catalítica de la zeolita USY en la conversión de éter dietílico a etileno.

La evolución de las especies de Al inducida por la adsorción en agua se monitorizó mediante experimentos unidimensionales de RMN MAS de ^{27Al . La adsorción por disociación en agua transforma las especies de Al «invisibles para RMN» en formas detectables y facilita la generación de BAS en Al tetra-, penta- y hexa-coordinado. Además, se realizaron experimentos bidimensionales de RMN 1H} – ^1H DQ–SQ para investigar la proximidad espacial de las especies de hidrógeno en las muestras de USY tras la adsorción en agua.

Estos resultados confirman la formación de sitios ácidos sinérgicos de Brønsted/Lewis, donde los protones ácidos de Brønsted recién formados se encuentran en estrecha proximidad a los grupos Al-OH. Con base en estos hallazgos, los investigadores dilucidaron el mecanismo de interacción entre el agua y las especies de Al «invisibles a la RMN». Propusieron un mecanismo regulador impulsado por el agua que modifica los sitios activos de la zeolita , lo que ofrece una comprensión más profunda de cómo la humedad influye en el comportamiento catalítico.

Más información: Xingxing Wang et al., Observación del sitio ácido sinérgico inducido por agua a partir de Al invisible por RMN en zeolita mediante espectroscopia de RMN de estado sólido, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c01756