沸石蜂窩分子篩活性調(diào)控研究進(jìn)展

近日，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院研究員鄭安民團隊在沸石分子篩的活性位點分布特性的原位環(huán)境理論預(yù)測方面取得進(jìn)展。

沸石分子篩是現(xiàn)代化工業(yè)生產(chǎn)中最為重要的一類催化劑，廣泛應(yīng)用于石油化工領(lǐng)域。分子篩的催化反應(yīng)特性與活性位的分布密切相關(guān)，調(diào)控活性位在分子篩不同骨架結(jié)構(gòu)上的分布會極大地影響分子篩的催化反應(yīng)活性和產(chǎn)物的選擇性，進(jìn)而控制催化反應(yīng)性能。然而由于缺乏可靠的實驗手段，一直無法確定向地調(diào)控分子篩的活性位分布，這極大限制了人們對催化劑的定向合成及相關(guān)催化過程的認(rèn)知。理論計算作為實驗方法的有力補充，可以從原子分子水平準(zhǔn)確描述物質(zhì)的微觀結(jié)構(gòu)性質(zhì)。因此，通過理論計算研究分子篩中活性位點的分布對于沸石的合成、催化劑的選擇等具有重要的指導(dǎo)意義。前期工作中，研究團隊采用多尺度理論模擬（蒙特卡羅、分子動力學(xué)、密度泛函理論和從頭算分子動力學(xué)等）方法，并結(jié)合實驗結(jié)果，確定了分子篩孔道中活性中心的結(jié)構(gòu)、反應(yīng)物種在分子篩孔道中的吸附和擴散機制，建立了擴散過程和反應(yīng)路徑之間的關(guān)聯(lián)（J. Catal. 2019, 369, 335；J. Catal. 2019, 377, 51; J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10764）。

在本工作中，使用周期性密度泛函理論（DFT）及從頭算分子動力學(xué)（AIMD）模擬研究了在分子篩合成條件下結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑（SDA）與分子篩骨架之間的相互作用，確定了SDA對分子篩骨架上活性位分布的調(diào)控機制，闡明了溶劑分子和合成溫度對于活性位點分布的影響規(guī)律。基于導(dǎo)向概率分布，實現(xiàn)了SDA對活性位點導(dǎo)向作用的定量化和可視化分析，這將有望解決關(guān)于分子篩中骨架鋁和酸中心分布等方面一直存在的爭議，同時對沸石分子篩定向合成過程中結(jié)構(gòu)導(dǎo)向劑的選擇也具有重要的指導(dǎo)意義。

相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表在美國化學(xué)會期刊ACS Catalysis 雜志上。博士研究生唐曉敏為該論文作者，鄭安民為通訊作者。該研究工作得到國家自然科學(xué)基金委、中科院以及湖北省科技廳的支持。