Structure determination of zeolites and zeotypes across the disordered ladder: Investigation of disorders in low-dimensional zeolitic materials and zeolites by electron crystallography
2026 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [en]
Zeolites are crystalline porous open-framework aluminosilicate materials whose unique channels and cages, as well as exceptional thermal stability, make them attractive for industrial applications. But to understand their properties and possibly explore new synthesis routes, accurate structure determination is essential. The small and/or anisotropic crystal size of zeolites and zeotypes makes structure determination extremely challenging and time-consuming using conventional methods based on X-ray diffraction. Furthermore, zeolites may possess disorders such as stacking faults and intergrowth meaning that average structural information is often insufficient for a complete understanding of the material.
Electron crystallography offers several advantages over conventional X-ray crystallography. Electrons interact more strongly with matter than X-rays, which enables studying crystals on a sub-micrometer scale by electron diffraction. Moreover, electrons can be shaped and controlled using electromagnetic lenses, allowing for imaging at atomic resolution, which is particularly important to investigate local structure variations within a material.
This thesis explores how electron diffraction and electron microscopy methods, such as three-dimensional electron diffraction (3D ED), scanning transmission electron microscopy (STEM), and scanning electron diffraction (SED), can be applied for structure determination of zeolites and zeotypes across the disordered ladder. The thesis starts with the structure determination of three low-dimensional zeotype materials (EMM-75P, EM-L01, and EM-L02) using 3D ED, where the atomic positions of the organic structure-directing agents (OSDAs) determined by 3D ED shed light on their structure-directing role and helped rationalize the different condensation behavior. The thesis then advances to the localization of extra-framework cations in chabazite by pushing to the limits of 3D ED and further to complex intergrowth between chabazite and erionite resolved by SED. The disordered ladder story culminates with the structure determination of heavily faulted zeolite EMM-41. EMM-41 is an intergrowth of two distinct polymorphs consisting of two alternating layers, one of which is related to zeolite Beta. Additionally, the structure of EMM-41 appears to be structurally related to industrial catalyst NU-88. These challenging materials were approached using complementary techniques, such as 3D ED and STEM imaging.
Abstract [ru]
Цеолиты представляют собой кристаллические пористые материалы с открытым каркасом. Наличие системы взаимосвязанных каналов и полостей, а также высокая термическая стабильность делают их особенно привлекательными для промышленного применения. Однако для понимания их свойств и поиска новых путей синтеза необходимо точное установление их структуры. Во многих случаях определение структуры цеолитов и цеолитоподобных материалов методами традиционной рентгеновской дифракции затруднено или невозможно из-за малого и/или анизотропного размера кристаллов. Кроме того, цеолиты нередко характеризуются структурными нарушениями, такими как дефекты упаковки и срастания, вследствие чего усреднённой структурной информации часто оказывается недостаточно для полного понимания структуры.
Методы электронной кристаллографии обладают рядом преимуществ по сравнению с традиционной рентгеновской кристаллографией. Электроны взаимодействуют с материалом значительно сильнее, чем рентгеновское излучение, что делает возможным исследование кристаллов субмикрометрового размера с помощью электронной дифракции. Кроме того, электронный пучок можно формировать и контролировать с использованием электромагнитных линз, что открывает возможности для получения изображений и особенно важно при изучении локальных структурных вариаций в структуре материала.
В данной диссертации рассматривается применение методов электронной дифракции и электронной микроскопии, таких как трёхмерная электронная дифракция (3D ED), сканирующая просвечивающая электронная микроскопия (STEM) и сканирующая электронная дифракция (SED), для установления структуры цеолитов и цеолитоподобных материалов на различных уровнях структурного беспорядка. Исследование докторской работы начинается с определения структуры трёх низкоразмерных цеолитоподобных материалов — EMM-75P, EM-L01 и EM-L02 — методом 3D ED. Установление атомных позиций органических структурообразующих агентов (OSDA) с помощью 3D ED позволило прояснить их структуронаправляющую роль и объяснить различия в характере конденсации. Далее в работе рассматривается локализация внекаркасных катионов в шабазите с использованием метода 3D ED. Далее исследование продолжается сложного срастания шабазита и эрионита, выявленного методом SED. Завершается работа определением структуры сильно дефектного цеолита EMM-41, который, по-видимому, структурно связан с NU-88. Для исследования этих сложных материалов использовались взаимодополняющие методы, включая 3D ED и STEM.
Place, publisher, year, edition, pages
Stockholm: Department of Chemistry, Stockholm University , 2026. , p. 86
Keywords [en]
electron crystallography, structure determination, zeolites, low-dimensional zeotypes, disorder, intergrowth
National Category
Inorganic Chemistry
Research subject
Inorganic Chemistry
Identifiers
URN: urn:nbn:se:su:diva-254514ISBN: 978-91-8107-664-6 (print)ISBN: 978-91-8107-665-3 (electronic)OAI: oai:DiVA.org:su-254514DiVA, id: diva2:2055614
Public defence
2026-06-12, Magnélisalen, Kemiska övningslaboratoriet, Svante Arrhenius väg 16 B and online via Zoom, public link is available at the department website, Stockholm, 09:00 (English)
Opponent
Supervisors
2026-05-202026-04-242026-05-18Bibliographically approved
List of papers