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(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院研究員鄭安民團(tuán)隊(duì)在沸石分子篩的活性位點(diǎn)分布特性的原位環(huán)境理論預(yù)測(cè)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(huì)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(shí)驗(yàn)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(duì)催化劑的定向合成及相關(guān)催化過程的認(rèn)知。理論計(jì)算作為實(shí)驗(yàn)方法的有力補(bǔ)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(jì)算研究分子篩中活性位點(diǎn)的分布對(duì)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(tuán)隊(duì)采用多尺度理論模擬（蒙特卡羅、分子動(dòng)力學(xué)、密度泛函理論和從頭算分子動(dòng)力學(xué)等）方法，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)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(kuò)散機(jī)制，建立了擴(kuò)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(dòng)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(duì)分子篩骨架上活性位分布的調(diào)控機(jī)制，闡明了溶劑分子和合成溫度對(duì)于活性位點(diǎn)分布的影響規(guī)律?；趯?dǎo)向概率分布，實(shí)現(xiàn)了SDA對(duì)活性位點(diǎn)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(shí)對(duì)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(huì)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。