武漢物數所應邀撰寫沸石分子篩催化劑的固體核磁共振研究專題論文

2020-12-25 中國科學院

武漢物數所應邀撰寫沸石分子篩催化劑的固體核磁共振研究專題論文

2019-07-09 武漢物理與數學研究所

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　　近日，應美國化學會綜述性學術期刊Accounts of Chemical Research 的邀請，中國科學院武漢物理與數學研究所研究員徐君和鄧風撰寫了題為Metal active sites and their catalytic functions in zeolites: insights from solid-state NMR spectroscopy 的專題論文（封面文章）。文章綜述了研究團隊近年在固體核磁共振（NMR）技術的發展以及在金屬改性沸石分子篩催化劑上應用的研究進展，這也是課題組第2次為該期刊撰寫專題論文。

　　沸石分子篩是當今石油化工生產中應用最為廣泛的一類催化材料，人們發現不同金屬元素的加入給分子篩催化劑帶來獨特性質與功能，並將沸石分子篩的應用從傳統的石油化工行業拓展到新興的生物質轉化等領域。金屬物種在提高催化劑性能的同時，由於其本徵靈敏度低、含量低等特點，也給這類沸石分子篩催化劑的結構表徵和構-效關係的建立帶來巨大的挑戰。

　　近年來，該研究團隊在固體NMR新方法的發展以及在沸石分子篩催化劑結構與催化反應機理研究方面開展了系統性研究工作，包括：（1）針對沸石分子篩催化劑上Zn、Ga和Sn等低靈敏度、低含量金屬活性中心，建立了信號靈敏度增強的固體NMR方法，成功實現了這類金屬活性中心結構的表徵和解析。進一步，針對作為Lewis酸的金屬活性中心與沸石分子篩上Bronsted質子酸中心可能存在的相互作用和協同效應，建立了這類B/L酸協同活性中心的直接觀測與定量測量的1H/67Zn和1H/71Ga雙共振固體NMR方法，為研究金屬改性沸石分子篩催化劑結構與反應性能的關係提供了新途徑；（2）針對沸石分子篩催化中的主客體相互作用，建立了探測有機分子與分子篩Al活性中心相互作用的13C/27Al雙共振固體NMR方法，使得活性位研究從單一無機催化劑體系拓展到包括有機分子在內的有機-無機複合體系。利用該新技術闡明了甲醇制烯烴反應（MTO）過程中，限域在分子篩孔道內的烴池物種（如多甲苯、環狀碳正離子）與分子篩Al活性位所組成「超分子活性中心」的微觀結構及催化作用機制；利用該技術還在MTO過程中首次觀測到與非骨架鋁物種結合的表面甲氧基物種，發現該活性中間體物種的生成促進了MTO反應中第一個碳-碳鍵的形成；（3）針對沸石分子篩催化反應機理的研究，發展了原位固體NMR表徵技術，實現了從催化劑表面物種及活性中間體的觀測到烷烴活化和甲醇轉化等催化反應機理的闡明。

　　該系列研究工作得到國家自然科學基金委、中科院以及湖北省科技廳的支持。

　　論文連結

 

沸石分子篩催化劑的固體核磁共振研究 


　　近日，應美國化學會綜述性學術期刊Accounts of Chemical Research 的邀請，中國科學院武漢物理與數學研究所研究員徐君和鄧風撰寫了題為Metal active sites and their catalytic functions in zeolites: insights from solid-state NMR spectroscopy 的專題論文（封面文章）。文章綜述了研究團隊近年在固體核磁共振（NMR）技術的發展以及在金屬改性沸石分子篩催化劑上應用的研究進展，這也是課題組第2次為該期刊撰寫專題論文。
　　沸石分子篩是當今石油化工生產中應用最為廣泛的一類催化材料，人們發現不同金屬元素的加入給分子篩催化劑帶來獨特性質與功能，並將沸石分子篩的應用從傳統的石油化工行業拓展到新興的生物質轉化等領域。金屬物種在提高催化劑性能的同時，由於其本徵靈敏度低、含量低等特點，也給這類沸石分子篩催化劑的結構表徵和構-效關係的建立帶來巨大的挑戰。
　　近年來，該研究團隊在固體NMR新方法的發展以及在沸石分子篩催化劑結構與催化反應機理研究方面開展了系統性研究工作，包括：（1）針對沸石分子篩催化劑上Zn、Ga和Sn等低靈敏度、低含量金屬活性中心，建立了信號靈敏度增強的固體NMR方法，成功實現了這類金屬活性中心結構的表徵和解析。進一步，針對作為Lewis酸的金屬活性中心與沸石分子篩上Bronsted質子酸中心可能存在的相互作用和協同效應，建立了這類B/L酸協同活性中心的直接觀測與定量測量的1H/67Zn和1H/71Ga雙共振固體NMR方法，為研究金屬改性沸石分子篩催化劑結構與反應性能的關係提供了新途徑；（2）針對沸石分子篩催化中的主客體相互作用，建立了探測有機分子與分子篩Al活性中心相互作用的13C/27Al雙共振固體NMR方法，使得活性位研究從單一無機催化劑體系拓展到包括有機分子在內的有機-無機複合體系。利用該新技術闡明了甲醇制烯烴反應（MTO）過程中，限域在分子篩孔道內的烴池物種（如多甲苯、環狀碳正離子）與分子篩Al活性位所組成「超分子活性中心」的微觀結構及催化作用機制；利用該技術還在MTO過程中首次觀測到與非骨架鋁物種結合的表面甲氧基物種，發現該活性中間體物種的生成促進了MTO反應中第一個碳-碳鍵的形成；（3）針對沸石分子篩催化反應機理的研究，發展了原位固體NMR表徵技術，實現了從催化劑表面物種及活性中間體的觀測到烷烴活化和甲醇轉化等催化反應機理的闡明。
　　該系列研究工作得到國家自然科學基金委、中科院以及湖北省科技廳的支持。
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　　沸石分子篩催化劑的固體核磁共振研究 
　　

列印 責任編輯：葉瑞優

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