The kinetics and mechanisms of the crystallisation of microporous materials

Abstract

The synthesis of microporous materials is one of the major activities in contemporary solid state chemistry. This perspective brings together the current thinking regarding the synthesis and growth mechanisms of these technologically important materials. Also reviewed are the latest experiments being utilised to probe the complex chemistry which occurs during the synthesis of these materials.

References

1. R. M. Barrer, J. Chem. Soc., 1948, 127.
2. W. M. Meier, D. H. Olsen and C. Baerlocher, Atlas of Zeolite Structure Types, 4th edn., Elsevier, Amsterdam, 1996.
3. R. M. Barrer, Hydrothermal Chemistry of Zeolites, Academic Press, New York, 1982.
4. S. T. Wilson, B. M. Lok, C. A. Messina, T. R. Cannan and E. M. Flanigen, J. Am. Chem. Soc., 1982, 104, 1146.
5. S. T. Wilson, B. M. Lok, C. A. Messina, T. R. Cannan and E. M. Flanigen, ACS Symp. Ser., 1983, 218, 79.
6. E. M. Flanigen, R. L. Patton and S. T. Wilson, Stud. Surf. Sci. Catal., 1988, 37, 13.
7. M. I. Khan, Y.-S. Lee, C. J. O'Conner, R. C. Haushalter and J. Zubieta, Chem. Mater., 1994, 6, 721.
8. M. I. Khan, Y.-S. Lee, C. J. O'Conner, R. C. Haushalter and J. Zubieta, J. Am. Chem. Soc., 1994, 116, 4525.
9. M. I. Khan, L. M. Meyer, R. C. Haushalter, A. L. Schweitzer, J. Zubieta and J. L. Dye, Chem. Mater., 1996, 8, 43.
10. V. Soghomonian, Q. Chen, R. C. Haushalter, J. Zubieta, C. J. Oapos;Conner and Y.-S. Lee, Chem. Mater., 1993, 5, 1690.
11. V. Soghomonian, Q. Chen, R. C. Haushalter and J. Zubieta, Chem. Mater., 1993, 5, 1595.
12. A. M. Chippindale and R. I. Walton, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1994, 2453.
13. A. M. Chippindale and A. R. Cowley, Zeolites, 1997, 18, 176.
14. J. Chen, R. H. Jones, S. Natarajan, M. B. Hursthouse and J. M. Thomas, Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 1994, 33, 639.
15. P. Y. Feng, X. H. Bu and G. D. Stucky, Nature (London), 1997, 388, 735.
16. R. C. Haushalter, K. Strohmaier and F. W. Lai, Science, 1989, 246, 1289.
17. R. C. Haushalter and L. A. Mundi, Chem. Mater., 1992, 4, 31.
18. M. Cavellec, D. Riou and G. Ferey, Acta Crystallogr., Sect. C, 1995, 51, 2242.
19. G. Ferey, T. Loiseau and D. Riou, Mater. Sci. Forum, 1994, 152, 125.
20. G. Ferey, J. Fluorine Chem., 1995, 72, 187.
21. M. Estermann, L. B. McCusker, C. Baerlocher, A. Merrouche and H. Kessler, Nature (London), 1991, 352, 320.
22. T. Loiseau and G. Ferey, Eur. J. Solid State Inorg. Chem., 1993, 30, 369.
23. T. Loiseau and G. Ferey, J. Solid State Chem., 1994, 111, 403.
24. T. Loiseau, R. Retoux, P. Lacorre and G. Ferey, J. Solid State Chem., 1994, 111, 427.
25. T. Loiseau and G. Ferey, J. Mater. Chem., 1996, 6, 1073.
26. T. Loiseau, F. Serpaggi and G. Ferey, Chem. Commun., 1997, 1093.
27. A. M. Chippindale, S. J. Brech, A. R. Cowley and W. M. Simpson, Chem. Mater., 1996, 8, 2259.
28. I. D. Williams, J. Yu, H. Du, J. Chen and W. Pang, Chem. Mater., 1998, 10, 773.
29. B. M. Lok, T. R. Cannan and C. A. Messina, Zeolites, 1983, 3, 282.
30. R. M. Barrer, Zeolites and Clay Minerals as Sorbents and Molecular Sieves, Academic Press, New York, 1978.
31. R. Szostak, Molecular Sieves: Principles of Synthesis and Identification, Van Nostrand Reinhold, New York, 1989.
32. M. E. Davis and R. F. Lobo, Chem. Mater., 1992, 4, 756.
33. D. W. Breck, Zeolite Molecule Sieves: Structure, Chemistry and Use, Wiley, New York, 1974.
34. R. M. Barrer and P. J. Denny, J. Chem. Soc., 1961, 971.
35. F. Y. Dai, M. Suzuki, H. Takahashi and Y. Saito, Stud. Surf. Sci. Catal., 1986, 28, 223.
36. M. E. Davis, C. Saldarriaga, C. Montes, J. Garces and C. Crowder, Nature (London), 1988, 331, 698.
37. B. Duncan, R. Szostak, K. Sorby and J. G. Ulan, Catal. Lett., 1990, 7, 367.
38. L. B. McCusker, C. Baerlocher, E. Jahn and M. Bulow, Zeolites, 1991, 8, 183.
39. M. J. Duer, H. Y. He, W. Kolodziejski and J. Klinowski, J. Phys. Chem., 1994, 98, 1198.
40. S. Prasad and R. Vetrivel, J. Phys. Chem., 1994, 98, 1579.
41. G. Cheetham and M. M. Harding, Zeolites, 1996, 16, 245.
42. C. Baerlocher and W. M. Meier, Helv. Chim. Acta, 1969, 52, 1853.
43. E. M. Flanigen, J. M. Bennett, R. W. Grose, J. P. Cohen, R. L. Patton, R. M. Kirchner and J. V. Smith, Nature (London), 1978, 271, 512.
44. L. D. Rollmann, Adv. Chem. Ser., 1979, 173, 387.
45. R. H. Jones, J. M. Thomas, J. Chen, R. Xu, Q. Huo, S. Li, Z. Ma and A. M. Chippindale, J. Solid State Chem., 1993, 102, 204.
46. R. M. Dessau, J. L. Schlenker and J. B. Higgins, Zeolites, 1990, 10, 522.
47. A. Moini, K. D. Schmitt, E. W. Valyocsik and R. F. Polomski, Zeolites, 1994, 14, 504.
48. R. F. Lobo and M. E. Davis, J. Am. Chem. Soc., 1995, 117, 3766.
49. H. Gies and B. Marler, Zeolites, 1992, 12, 42.
50. S. L. Burkett and M. E. Davis, J. Phys. Chem., 1994, 98, 4647.
51. M. Wiebcke, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1991, 1507.
52. E. Jahn, D. Muller, W. Wieker and J. Richtermendau, Zeolites, 1989, 9, 177.
53. G. Finger, J. Richtermendau, M. Bulow and J. Kornatowski, Zeolites, 1991, 11, 443.
54. B. L. Newalkar, B. V. Kamath, R. V. Jasra and S. G. T. Bhat, Zeolites, 1997, 18, 286.
55. J. Ciric, U.S. Pat., 39 504 496, 1976.
56. A. P. Stevens, A. M. Gorman, C. M. Freeman and P. A. Cox, J. Chem. Soc., Faraday Trans., 1996, 2065.
57. S. Ueda, W. Kageyama and M. Koizumi, Proc. 6th Int. Zeolite Conf., 1984, 905.
58. F. Testa, R. Szostak, R. Chiappetta, R. Aiello, A. Fonseca and J. B. Nagy, Zeolites, 1997, 18, 106.
59. W. Xu, J. Li, W. Li, H. Zhang and B. Liang, Zeolites, 1989, 9, 468.
60. L. E. Iton, F. Trouw, T. O. Brun and J. E. Epperson, Langmuir, 1992, 8, 1045.
61. P. Bodart, J. B. Nagy, Z. Gabelica and E. G. Derouane, J. Chim. Phys., 1986, 83, 777.
62. W. Pang, S. Qiu, Q. Kan, Z. Wu, S. Peng, G. Fan and D. Tian, Stud. Surf. Sci. Catal., 1989, 49, 281.
63. M. E. Davis, C. Montes, P. E. Hathaway and J. M. Garces, Stud. Surf. Sci. Catal., 1989, 49, 199.
64. P. K. Dutta and D. C. Shieh, J. Phys. Chem., 1986, 90, 2331.
65. C. T. G. Knight, R. T. Syvitski and S. D. Kinrade, Stud. Surf. Sci. Catal., 1995, 97, 483.
66. G. R. Millward, S. Ramdas, J. M. Thomas and M. T. Barlow, J. Chem. Soc., Faraday Trans. 1, 1983, 1075.
67. J. P. Arhancet and M. E. Davis, Chem. Mater., 1991, 3, 567.
68. S. L. Burkett and M. E. Davis, Microporous Mater., 1993, 1, 265.
69. R. L. Lobo, M. Pan, I. Chan, H.-X. Li, R. C. Medrud, S. I. Zones, P. A. Crozier and M. E. Davis, Science, 1993, 262, 1543.
70. O. Terasaki, T. Ohsuna, V. Alfredsson, J.-O. Bovin, D. Watanabe, S. W. Carr and M. W. Anderson, Chem. Mater., 1993, 5, 452.
71. D. E. W. Vaughan, Stud. Surf. Sci. Catal., 1991, 65, 275.
72. S. L. Burkett and M. E. Davis, Chem. Mater., 1995, 7, 920.
73. S. L. Burkett and M. E. Davis, Chem. Mater., 1995, 7, 1453.
74. M. E. Davis, Stud. Surf. Sci. Catal., 1995, 97, 35.
75. H. S. Frank and M. W. Evans, J. Chem. Phys., 1945, 13, 50.
76. N. Muller, Acc. Chem. Res., 1990, 23, 23.
77. H. Y. He and J. Klinowski, J. Phys. Chem., 1994, 98, 1192.
78. M. E. Davis and D. Young, Stud. Surf. Sci. Catal., 1991, 60, 53.
79. S. Oliver, A. Kuperman and G. A. Ozin, Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 1998, 37, 46.
80. S. Oliver, A. Kuperman, A. Lough and G. A. Ozin, Chem. Mater., 1996, 8, 2391.
81. D. W. Lewis, C. R. A. Catlow and J. M. Thomas, Faraday Discuss. R. Soc. Chem., 1997, 106, 451.
82. R. E. Boyett, A. P. Stevens, M. G. Ford and P. A. Cox, Zeolites, 1996, 17, 508.
83. R. E. Boyett, A. P. Stevens, M. G. Ford and P. A. Cox, Stud. Surf. Sci. Catal., 1997, 105, 117.
84. C. M. Freeman, D. W. Lewis, T. V. Harris, A. K. Cheetham, N. J. Henson, P. A. Cox, A. M. Gorman, S. M. Levine, J. M. Newsam, E. Hernandez and C. R. A. Catlow, ACS Symp. Ser., 1995, 589, 326.
85. T. V. Harris and S. I. Zones, Stud. Surf. Sci. Catal., 1994, 84, 29.
86. D. W. Lewis, C. M. Freeman and C. R. A. Catlow, J. Phys. Chem., 1995, 99, 11 194.
87. D. W. Lewis, D. J. Willock, C. R. A. Catlow, J. M. Thomas and G. J. Hutchings, Nature (London), 1996, 382, 604.
88. D. J. Willock, D. W. Lewis, C. R. A. Catlow, G. J. Hutchings and J. M. Thomas, J. Mol. Catal. A, 1997, 119, 415.
89. D. W. Lewis, G. Sankar, J. K. Wyles, J. M. Thomas, C. R. A. Catlow and D. J. Willcock, Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 1997, 36, 2675.
90. A. K. Cheetham and C. F. Mellot, Chem. Mater., 1997, 9, 2269.
91. J. M. Shi, M. W. Anderson and S. W. Carr, Chem. Mater., 1996, 8, 369.
92. J. Twu, P. K. Dutta and C. T. Kresge, Zeolites, 1991, 11, 672.
93. B. S. Clausen, K. Grabaek, G. Steffensen, P. L. Hansen and H. Topsoe, Catal. Lett., 1993, 20, 23.
94. G. Sankar, P. A. Wright, S. Natarajan, J. M. Thomas, G. N. Greaves, A. J. Dent, B. R. Dobson, C. A. Ramsdale and R. H. Jones, J. Phys. Chem., 1993, 97, 9550.
95. I. J. Shannon, T. Maschmeyer, G. Sankar, J. M. Thomas, R. D. Oldroyd, M. Sheehy, D. Madill, A. M. Waller and R. P. Townsend, Catal. Lett., 1997, 44, 23.
96. J. W. Couves, J. M. Thomas, D. Waller, R. H. Jones, A. J. Dent, G. E. Derbyshire and G. N. Greaves, Nature (London), 1991, 354, 465.
97. A. Iwasaki, M. Hirata, I. Kudo, T. Sano, S. Sugawara, M. Ito and M. Watanabe, Zeolites, 1995, 15, 308.
98. B. J. Schoeman, Zeolites, 1997, 18, 97.
99. C. Gerardin, M. In and F. Taulelle, J. Chim. Phys., 1995, 92, 1877.
100. M. Haouas, C. Gerardin, F. Taulelle, C. Estournes, T. Loiseau and G. Ferey, J. Chim. Phys., 1998, 95, 302.
101. S. D. Kinrade and T. W. Swaddle, J. Magn. Reson., 1988, 77, 569.
102. B. J. Schoeman, J. Sterte and J. E. Otterstedt, Zeolites, 1994, 14, 568.
103. T. A. M. Twomey, M. Mackay, H. P. C. E. Kuipers and R. W. Thompson, Zeolites, 1994, 14, 162.
104. P. Barnes, D. Hausermann and S. E. Tarling, Inst. Phys. Conf. Ser., 1990, 61.
105. P. Barnes, S. M. Clark, D. Hausermann, E. Henderson, C. H. Fentiman, M. N. Muhamad and S. Rashid, Phase Transitions, 1992, 39, 117.
106. J. Munn, P. Barnes, D. Hausermann, S. A. Axon and J. Kilinowski, Phase Transitions, 1992, 39, 129.
107. H. Y. He, P. Barnes, J. Munn, X. Turrillas and J. Klinowski, Chem. Phys. Lett., 1992, 196, 267.
108. J. S. O. Evans, R. J. Francis, D. O'Hare, S. J. Price, S. M. Clarke, J. Flaherty, J. Gordon, A. Nield and C. C. Tang, Rev. Sci. Instrum., 1995, 66, 2442.
109. S. O'Brien, R. J. Francis, S. J. Price, D. O'Hare, S. M. Clark, N. Okazaki and K. Kuroda, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1995, 2423.
110. R. J. Francis, S. J. Price, J. S. O. Evans, S. O'Brien, D. O'Hare and S. M. Clark, Chem. Mater., 1996, 8, 2102.
111. R. J. Francis, S. J. Price, S. O'Brien, A. M. Fogg, D. O'Hare, T. Loiseau and G. Ferey, Chem. Commun., 1997, 521.
112. A. N. Christensen, P. Norby and J. C. Hanson, J. Solid State Chem., 1995, 114, 556.
113. A. N. Christensen, P. Norby and J. C. Hanson, Acta Chem. Scand., 1995, 49, 331.
114. A. N. Christensen, P. Norby, J. C. Hanson and S. Shimada, J. Appl. Crystallogr., 1996, 29, 265.
115. A. N. Christensen, P. Norby and J. C. Hanson, Acta Chem. Scand., 1997, 51, 249.
116. A. Gualtieri, P. Norby, G. Artioli and J. Hanson, Phys. Chem. Miner., 1997, 24, 191.
117. A. Gualtieri, P. Norby, G. Artioli and J. Hanson, Microporous Mater., 1997, 9, 189.
118. R. E. Morris, S. J. Weigel, P. Norby, J. C. Hanson and A. K. Cheetham, J. Synchrotron Rad., 1996, 3, 301.
119. P. Norby, A. N. Christensen and J. C. Hanson, Stud. Surf. Sci. Catal., 1994, 84, 179.
120. P. Norby, Mater. Sci. Forum, 1996, 228, 147.
121. P. Norby, J. Am. Chem. Soc., 1997, 119, 5215.
122. G. Artioli, K. Stahl and J. C. Hanson, Mater. Sci. Forum, 1996, 228, 369.
123. G. Cruciani, G. Artioli, A. Gualtieri, K. Stahl and J. C. Hanson, Am. Miner., 1997, 82, 729.
124. A. M. Chippindale, A. V. Powell, L. M. Bull, R. H. Jones, A. K. Cheetham, J. M. Thomas and R. R. Xu, J. Solid State Chem., 1992, 96, 199.
125. G. A. Ozin, T. Jiang and R. L. Bedard, Adv. Mater., 1994, 6, 860.
126. T. Jiang, A. Lough, G. A. Ozin and R. L. Bedard, J. Mater. Chem., 1998, 8, 733.
127. T. Loiseau, D. Riou, F. Taulelle and G. Ferey, Stud. Surf. Sci. Catal., 1994, 84, 395.
128. R. J. Francis and D. O'Hare, J. Am. Chem. Soc., submitted.
129. D. O'Hare, J. S. O. Evans, R. J. Francis, P. S. Halasyamani, P. Norby and J. Hanson, Microporous Mesoporous Mater., in the press.
130. R. J. Francis, R. I. Walton, T. Loiseau and D. O'Hare, unpublished work.
131. F. Rey, G. Sankar, J. M. Thomas, P. A. Barrett, D. W. Lewis, C. R. A. Catlow, S. M. Clark and G. N. Greaves, Chem. Mater., 1995, 7, 1435.
132. F. Rey, G. Sankar, J. M. Thomas, P. A. Barrett, D. W. Lewis, C. R. A. Catlow, S. M. Clark and G. N. Greaves, Chem. Mater., 1996, 8, 590.
133. A. T. Davies, G. Sankar, C. R. A. Catlow and S. M. Clark, J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 10 115.
134. L. Lutterotti, A. Gualtieri and S. Aldrighetti, Mater. Sci. Forum, 1996, 228, 29.
135. A. Gualtieri, P. Norby, J. Hanson and J. Hriljac, J. Appl. Crystallogr., 1996, 29, 707.
136. P. Norby, J. Appl. Crystallogr., 1997, 30, 21.
137. K. Stahl, G. Artioli and J. C. Hanson, Phys. Chem. Miner., 1996, 23, 328.
138. P. Norby, F. I. Poshni, A. F. Gualtieri, J. C. Hanson and C. P. Grey, J. Phys. Chem. B, 1998, 102, 839.
139. E. Polak, J. Munn, P. Barnes, S. E. Tarling and C. Ritter, J. Appl. Crystallogr., 1990, 23, 258.
140. C. G. Windsor, J. Appl. Crystallogr., 1988, 21, 582.
141. J. Dougherty, L. E. Iton and J. W. White, Zeolites, 1995, 15, 640.
142. J. N. Watson, L. E. Iton and J. W. White, Chem. Commun., 1996, 2767.
143. J. N. Watson, L. E. Iton, R. I. Keir, J. C. Thomas, T. L. Dowling and J. W. White, J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 10 094.
144. W. H. Dokter, T. P. M. Beelen, H. F. van Garderen, C. P. J. Rummens, R. A. van Santen and J. D. F. Ramsay, Colloids Surf. A, 1994, 85, 89.
145. W. H. Dokter, T. P. M. Bellen, H. F. van Garderen, R. A. van Santen, W. Bras, G. E. Derbyshire and G. R. Mant, J. Appl. Crystallogr., 1994, 27, 901.
146. W. H. Dokter, H. F. van Garderen, T. P. M. Beelen, R. A. van Santen and W. Bras, Angew. Chem., Int. Ed. Engl., 1995, 34, 73.
147. P. E. A. de Moor, T. P. M. Beelen, B. U. Komanschek, O. Diat and R. A. van Santen, J. Phys. Chem. B, 1997, 101, 11 077.
148. G. Sankar, J. M. Thomas, F. Rey and G. N. Greaves, J. Chem. Soc., Chem. Commun., 1995, 2549.