清華新聞網(wǎng)5月26日電 近日，清華大學(xué)化工系騫偉中課題組在分子篩交生相結(jié)構(gòu)精準(zhǔn)合成及高空間分辨率電子顯微學(xué)結(jié)構(gòu)表征其本征路易斯（Lewis）酸性位方面取得突破，豐富了分子篩催化的基本構(gòu)效關(guān)系認(rèn)識(shí)。
以Si-O-Al鍵自組裝形成的沸石分子篩具有豐富的酸性位點(diǎn)和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)調(diào)變性，在石油化工、可再生化學(xué)、氣體儲(chǔ)存和分離等領(lǐng)域廣泛的應(yīng)用，助力化石能源高效轉(zhuǎn)化與工業(yè)可持續(xù)發(fā)展。精確的酸性位構(gòu)筑與調(diào)控及作用理解，是分子篩基催化劑提高活性與產(chǎn)品選擇性的核心主題之一。然而，設(shè)計(jì)酸性位點(diǎn)的結(jié)構(gòu)需要精確到亞納米的原子結(jié)構(gòu)單元，且需要超高水平的實(shí)空間成像能力（分辨率和信噪比）與技術(shù)。目前流行的熒光及顯色成像技術(shù)尚達(dá)不到納米尺度的精確性。同時(shí)分子篩屬于對(duì)電子束敏感材料，其酸性位點(diǎn)結(jié)構(gòu)的原子級(jí)結(jié)構(gòu)表征長(zhǎng)期是電子顯微學(xué)領(lǐng)域的一個(gè)巨大挑戰(zhàn)。
榫卯ZSM-5分子篩交生界面的原子級(jí)解析及骨架氧空位的指認(rèn)
基于合成高結(jié)晶性、納米片狀ZSM-5分子篩的多年技術(shù)積累，騫偉中課題組受中國(guó)傳統(tǒng)建筑中榫卯結(jié)構(gòu)的啟發(fā)，利用ZSM-5分子篩晶格不匹配現(xiàn)象，合成了90°交生相的榫卯ZSM-5結(jié)構(gòu)，在其垂直界面構(gòu)筑了富集本征Lewis酸性位點(diǎn)的本征結(jié)構(gòu)?；诜e分差分相位襯度掃描透射電子顯微鏡（iDPC-STEM）技術(shù)，原子尺度上精確解析了榫卯ZSM-5分子篩的局域結(jié)構(gòu)。首次在交生界面上觀(guān)察到了規(guī)則的骨架氧原子空位，結(jié)合其他譜學(xué)表征證明了界面處氧原子的部分缺失導(dǎo)致ZSM-5榫卯界面形成本征Lewis酸位點(diǎn)。以甲醇制烴類(lèi)模型反應(yīng)研究了榫卯結(jié)構(gòu)與催化性能的構(gòu)效關(guān)系。發(fā)現(xiàn)本征Lewis酸位點(diǎn)的引入，可抑制甲醇轉(zhuǎn)化中的烯烴氫轉(zhuǎn)移副反應(yīng)，顯著提高產(chǎn)物中丙烯和丁烯的選擇性。
該工作是將界面工程的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念擴(kuò)展到多孔材料領(lǐng)域的一次嘗試，且基于界面工程提供了一種通用的方法來(lái)設(shè)計(jì)分子篩催化劑中的本征Lewis酸位點(diǎn)，并實(shí)現(xiàn)了催化性能調(diào)變。特別地，iDPC-STEM技術(shù)極大地提高了電鏡對(duì)電子束敏感材料局域結(jié)構(gòu)和輕元素的成像水平，為多孔材料交生局域結(jié)構(gòu)的原子級(jí)洞察提供了一種新的研究范式。
相關(guān)工作以“調(diào)節(jié)榫卯分子篩催化劑交生界面的本征路易斯酸性”（Modulating Inherent Lewis Acidity at the Intergrowth Interface of Mortise-Tenon Zeolite Catalyst）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)化工系2018級(jí)博士生王揮遒，2015級(jí)申博淵博士（現(xiàn)為蘇州大學(xué)教授）為共同第一作者。論文通訊作者為清華大學(xué)化學(xué)工程系騫偉中教授、魏飛教授和陳曉博士。其他作者為清華大學(xué)化工系崔超婕助理研究員、2019級(jí)博士生熊昊、2017級(jí)博士生宋文龍和2020級(jí)博士生王宏梅。該工作獲國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃課題資助。
論文鏈接：
https://www.nature.com/articles/s41467-022-30538-7.
供稿：化工系
題圖設(shè)計(jì)：梁晨
編輯：李華山
審核：劉蔚如
