清華新聞網(wǎng)4月14日電 以沸石分子篩為代表的無(wú)機(jī)多孔材料由于其可調(diào)控的結(jié)構(gòu)，在催化、能量轉(zhuǎn)換、氣體儲(chǔ)存和分離等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。多孔骨架材料結(jié)構(gòu)調(diào)變研究的進(jìn)展使我們能夠通過(guò)改變孔隙率、連通表面和缺陷來(lái)設(shè)計(jì)各種多孔骨架結(jié)構(gòu)。這樣的多樣性使得多孔材料的世界豐富而精彩。例如，兩種磷酸硅鋁分子篩SAPO-34和SAPO-18在一個(gè)方向上完全匹配，通常形成交生結(jié)構(gòu)。在SAPO-34/18交生晶體中，SAPO-34和SAPO-18相區(qū)的空間分布和堆積順序決定了兩種骨架組裝過(guò)程中微觀(guān)結(jié)構(gòu)的多樣性，進(jìn)而影響交生晶體的宏觀(guān)結(jié)構(gòu)以及催化性能?？煽氐慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)首先需要擁有超高水平的實(shí)空間成像能力（分辨率和信噪比）來(lái)獲取更多的結(jié)構(gòu)信息。我們可以通過(guò)解析多孔材料的局部結(jié)構(gòu)來(lái)更好地理解多孔材料的結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系，進(jìn)而指導(dǎo)研究者按照目標(biāo)功能來(lái)設(shè)計(jì)多孔材料的結(jié)構(gòu)。然而，分子篩等電子束敏感材料的原子級(jí)表征對(duì)于電子顯微鏡仍然是一個(gè)重大挑戰(zhàn)。
最近，清華大學(xué)魏飛教授課題組將積分差分相位襯度掃描透射電子顯微鏡（iDPC-STEM）的技術(shù)應(yīng)用于電子束敏感的多孔材料的原子級(jí)成像，包括多種分子篩和金屬有機(jī)骨架。在這項(xiàng)工作中，作者進(jìn)一步將iDPC-STEM技術(shù)應(yīng)用于一類(lèi)在甲醇-烯烴（MTO）轉(zhuǎn)化的催化劑結(jié)構(gòu)成像，即SAPO-34和SAPO-18分子篩的交生催化劑。通過(guò)改變Si元素含量和模板種類(lèi)，作者可以精確地控制SAPO-34和SAPO-18相區(qū)在微觀(guān)結(jié)構(gòu)中的空間分布和堆疊順序，得到兩種具有多級(jí)結(jié)構(gòu)和三明治結(jié)構(gòu)的SAPO-34/18交生催化劑?；趇DPC-STEM，SAPO-34/18分子篩的晶格和局域結(jié)構(gòu)可以被原子級(jí)地解析，包括對(duì)輕原子和化學(xué)鍵的清晰指認(rèn)。SAPO-34和SAPO-18晶格在多級(jí)結(jié)構(gòu)催化劑中幾乎均勻混合，而在三明治結(jié)構(gòu)催化劑中則完全分離。這種微觀(guān)結(jié)構(gòu)的差異與交生結(jié)構(gòu)中Si元素的分布有著直接的聯(lián)系，而微觀(guān)結(jié)構(gòu)上的差異導(dǎo)致了多級(jí)結(jié)構(gòu)和三明治結(jié)構(gòu)催化劑宏觀(guān)形貌的不同，并提升了它們?cè)贛TO反應(yīng)中的催化性能。
SAPO-18/34交生結(jié)構(gòu)的原子級(jí)結(jié)構(gòu)成像及Al-O、P-O化學(xué)鍵的指認(rèn)
這項(xiàng)工作為電子顯微學(xué)、催化和材料科學(xué)帶來(lái)了許多突破性啟示。首先，iDPC-STEM技術(shù)大大提高了電鏡對(duì)電子束敏感分子篩的成像水平?；趇DPC-STEM，作者首次實(shí)現(xiàn)了磷磷酸硅鋁分子篩的原子級(jí)成像。利用圖像的超高分辨率和信噪比，作者可以清晰地識(shí)別出Al，O，P原子和Al-O，P-O鍵。成像技術(shù)的進(jìn)步為SAPO-34/18催化劑交生結(jié)構(gòu)的原子級(jí)解析提供了基礎(chǔ)。通過(guò)改變反應(yīng)物組成和模板種類(lèi)，SAPO-34和SAPO-18晶格的混合和分離可以被精確地控制。這種微觀(guān)結(jié)構(gòu)的差異可以被放大，從而導(dǎo)致催化劑晶體的宏觀(guān)形貌完全不同。由于催化劑的晶粒尺寸（產(chǎn)物的擴(kuò)散距離）和表面結(jié)構(gòu)對(duì)催化劑的氣體選擇性和使用壽命有很大的影響，因此微觀(guān)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)可以改變催化劑的宏觀(guān)形貌，進(jìn)而指導(dǎo)催化劑性能的調(diào)控。最后，這些結(jié)果將啟發(fā)讀者們認(rèn)識(shí)到iDPC-STEM技術(shù)對(duì)于其他電子束敏感材料的獨(dú)特成像優(yōu)勢(shì)，如金屬有機(jī)骨架、二維材料、聚合物以及更多的無(wú)機(jī)/有機(jī)雜化體系，并讓讀者們對(duì)基于這些材料的不同催化劑體系產(chǎn)生新的認(rèn)識(shí)和理解。
相關(guān)工作近日以“指認(rèn)輕原子和化學(xué)鍵來(lái)解析用于甲醇轉(zhuǎn)化SAPO-34/18交生催化劑原子級(jí)結(jié)構(gòu)研究”（Resolving atomic SAPO-34/18 intergrowth architectures for methanol conversion by identifying light atoms and bonds）為題發(fā)表在《自然?通訊》（Nature Communications）期刊上。文章第一作者為清華大學(xué)申博淵博士，文章通訊作者為清華大學(xué)陳曉博士、王垚教授和魏飛教授。
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https://www.nature.com/articles/s41467-021-22438-z
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：呂婷
