新聞科研進展
近日，精密測量院徐君和鄧風研究團隊在沸石分子篩骨架Lewis酸位結構及其催化反應活性的研究方面取得新進展。團隊通過固體核磁共振（NMR）實驗結合理論計算發現，ZSM-5分子篩上骨架嵌連三配位鋁可作為活性Lewis酸性位，在甲醇制碳氫化合物（Methanol-to-Hydrocarbon，MTH）反應中表現出優異的反應活性，可在低溫甚至室溫條件下活化甲醇生成表面甲氧基物種，并可進一步引發碳氫化合物的生成。相關研究成果發表在《德國應用化學》（Angew. Chem. Int. Ed.）上，并被遴選為Hot Paper。
ZSM-5沸石分子篩是一種重要的微孔固體酸催化劑，可用于MTH反應過程以替代石油路線生產汽油、低碳烯烴以及芳烴等高附加值燃料與化學品。在ZSM-5分子篩中，Bronsted（B） 酸位和Lewis（L）酸位是重要的催化活性位點。其中B酸來源于骨架四配位鋁形成的Si-OH-Al 橋式羥基結構；L 酸則來源于骨架四配位鋁部分分解形成的骨架、骨架嵌連鋁物種以及全部分解形成的非骨架鋁物種。與結構較為明確的B酸位相比，人們對于沸石分子篩中L酸位的具體結構以及其反應活性仍然不清楚。研究并理解ZSM-5分子篩上L酸位的結構以及活性，對于構建ZSM-5分子篩的構效關系，從而實現對該催化劑的高效利用具有十分重要的意義。
TMPO吸附在脫水分子篩上的一維 31P NMR譜和二維31P-27Al相關NMR譜以及TMPO吸附在三種不同骨架/骨架嵌連三配位鋁Lewis酸位上的結構模型圖，括號里的數值為31P化學位移的理論計算值
在該研究工作中，研究人員利用三甲基氧膦（TMPO）探針分子的31P NMR實驗技術以及二維31P-27Al相關固體NMR實驗對ZSM-5分子篩上的酸性位進行了解析。發現三種由Lewis酸位吸附TMPO 所產生的31P NMR信號，且這些L酸位均為三配位鋁物種，吸附TMPO后轉變為四配位鋁物種。結合理論計算確認了其分別為骨架三配位鋁物種（FTA）、含單個羥基（FTA-OH）以及含雙羥基（FTA-2OH）骨架嵌連三配位鋁物種（圖1）。隨后，研究人員利用甲醇轉化反應對這些骨架L酸位的反應活性進行了探究，利用二維13C-{27Al} 相關固體NMR實驗對表面物種進行了分析。實驗發現，與B酸位上形成的甲氧基（59 ppm）相比，L酸位甲氧基（53 ppm）可以在較低溫度甚至室溫下形成，表明ZSM-5分子篩上的L酸位具有較強的反應活性（圖2）。通過關聯L酸位甲氧基物種的生成與骨架嵌連三配位鋁的含量，發現FTA-2OH位點是生成L酸位甲氧基的主要活性位。此外，理論計算也表明，FTA-2OH位點在所有骨架L酸位中具有最高的甲醇轉化活性。該項研究結果對于理解分子篩上L酸位及其在多相催化反應中的作用提供了新的見解，并為分子篩催化劑酸位研究提供了有效的譜學表征新方法。
ZSM-5上13C-甲醇在不同溫度下反應后分子篩上殘留物種的 13C-27Al S-RESPDOR NMR譜
博士研究生胡敏為該工作的第一作者，研究員徐君為通訊聯系人。
該研究工作得到了國家自然科學基金委、中國科學院以及湖北省科技廳的支持。
文章鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202207400