新聞科研進展
近日，精密測量院固體核磁共振與多相催化團隊在沸石分子篩活性位研究方面取得重要進展。研究團隊發現水能誘導超穩Y（USY）分子篩中“NMR-Invisible”鋁物種形成協同活性位，顯著提高催化劑對二乙醚制乙烯的反應活性。相關研究結果發表在《美國化學學會雜志》（Journal of the American Chemical Society）上。
沸石分子篩憑借其規則有序的微孔結構和可調控的酸性，在石油化工與精細化工領域廣泛應用。在分子篩的應用過程中，水扮演了多重角色，既可作為溶劑、反應物、產物，也能充當反應促進劑，同時還能通過改變分子篩的酸性來影響催化性能。然而，沸石分子篩中普遍存在的“NMR-invisible”鋁物種，包括三配位骨架以及非骨架鋁，作為主要的Lewis酸物種，其與水的作用機制尚未明確，導致其對催化反應的貢獻常常被忽略。
為揭示這一機制，研究團隊利用多核固體NMR結合理論計算，深入探究了脫水USY分子篩中“NMR-invisible”鋁物種與水作用以及轉變過程。研究發現，水分子在“NMR-invisible”鋁位點上容易發生解離吸附，生成大量Br?nsted酸位（BAS增量超過60%）和Br?nsted/Lewis協同酸位，顯著提升USY分子篩的催化活性。研究團隊首先利用一維27Al MAS NMR（圖1a）分析了不同含水量下脫水USY分子篩中鋁物種的轉變過程，發現水會在“NMR-invisible”鋁上發生解離吸附，轉變為“NMR-visible”鋁物種（四配位、五配位和六配位鋁），產生大量Br?nsted酸位（圖1b）。進一步利用二維1H-1H DQ-SQ NMR實驗研究了水解離生成的氫物種的空間分布（圖2a-e），揭示了新生成的Br?nsted酸質子和Al–OH空間鄰近而導致的Br?nsted/Lewis協同酸位（圖2f）。基于以上實驗結果，研究團隊揭示了水與“NMR-invisible”鋁物種的作用機制，闡明了一種由水驅動修飾分子篩活性位點的調控機制，為水存在時分子篩催化行為提供了新的見解。
不同吸附水量（0、15、30和45水分子/晶胞）USY分子篩的
（a）一維27Al MAS NMR譜圖和（b）非骨架以及骨架三配位鋁上的水解離吸附過程示意圖
USY分子篩吸附（a）0、（b）15、（c）30和（d）45水分子/晶胞的二維1H-1H DQ-SQ NMR譜圖；
（e）二維譜在δDQ = 6.5和7.3 ppm處的切片；（f）Br?nsted/Lewis協同位點產生過程示意圖
相關研究以“Observation of Water-Induced Synergistic Acidic Site from NMR-Invisible Al in Zeolite via Solid-State NMR Spectroscopy”為題發表在《美國化學學會雜志》上。精密測量院與吉林大學聯合培養博士研究生王星星為第一作者，精密測量院研究員徐君與吉林大學教授于吉紅為文章通訊作者。
該項研究工作得到了科技部、國家自然科學基金委以及中國科學院的基金支持。
論文鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c01756