分子篩活性中心具體位置研究取得重要進展

中國科學院精密測量科學與技術創新研究院鄧風團隊、香港理工大學曾適之團隊、英國牛津大學研究團隊，發表了關于H-ZSM-5沸石分子篩催化劑中活性中心落位的重要研究進展。該團隊發展了基于中子粉末衍射-同步輻射X射線衍射-固體核磁共振（NMR）的聯用技術，結合探針分子吸附，精準確定了H-ZSM-5沸石分子篩催化劑中骨架Al原子的具體落位，揭示了H-ZSM-5沸石分子篩中活性位的具體位置及其與探針分子、反應物間的主客體相互作用。?

沸石分子篩作為多孔晶體材料，可通過Al原子取代惰性Si原子占據T位獲得可調變的活性中心，在石油化工、生物質轉化和精細化工等催化過程中得到應用。Al原子的落位與分布決定沸石分子篩的活性和催化位點，進而影響其物理化學特性和催化性能。精確測定活性中心在分子篩中的具體位置是分子篩研究領域的重要挑戰。

沸石分子篩中Al原子的落位與分布受復雜的合成條件影響，難以單獨通過X射線吸收譜、固體核磁共振、原子探針斷層掃描等技術準確確定，限制了沸石分子篩構效關系的深入研究。

曾適之團隊通過同步輻射X射線衍射方法，選擇Al元素吸收邊以區分Si原子、Al原子，結合結構精修，明確了H-ZSM-5沸石分子篩中Al原子主要分布于T4、T6、T8位點；進而，利用小尺寸堿性分子氨作為探針捕獲活性中心的酸性質子，并結合粉末中子衍射和結構精修發現，與T8孤立Al位點不同，氨分子同時吸附于T4和T6兩個Al位點。鄧風團隊對H-ZSM-5沸石分子篩中氨分子的吸附位點進行固體NMR研究，利用一維¹⁵N和二維¹H-¹⁵N異核相關固體NMR技術，明確了H-ZSM-5沸石分子篩中來自硅羥基的弱吸附（-376.1 ppm）和來自酸性位點的強吸附（-372.7、-365.0、-358.8 ppm）兩類氨分子吸附的¹⁵N信號；進一步通過¹⁵N{²⁷Al}雙共振固體NMR技術測量了強吸附位點上¹⁵N、²⁷Al自旋系統的原子間距離。研究結合中子衍射實驗結果發現，位于-358.8 ppm的氨分子上的¹⁵N原子可同時與兩個²⁷Al原子空間臨近，其余兩個¹⁵N信號來自于與孤立²⁷Al原子空間臨近的¹⁵N原子。固體NMR實驗測量的核間距離與粉末中子衍射的結果一致，證明H-ZSM-5沸石分子篩具有T8孤立Al位點和T4、T6雙Al位點的活性中心。基于中子粉末衍射-同步輻射X射線衍射-固體核磁共振的聯合技術同樣適用于其他不同類型分子篩活性中心的表征。

1月23日，相關研究成果以《H-ZSM-5分子篩中鋁原子（對）的落位及其吸附相互作用》（Atomic locations and adsorbate interactions of Al single and pair sites in H-ZSM-5 zeolite）為題，發表在《科學》（Science）上。

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