在分子筛催化活性及其产物选择性机制的深入剖析中，酸性位点的核心角色及其复杂作用机制显得尤为重要，然而，现有研究在揭示酸性位对分子扩散行为的调控机制上仍显不足。近期，中国石化上海石油化工研究院谢在库院士团队针对此瓶颈问题展开了探索，揭示了酸性位点作为催化活性中心，如何精细调控多种分子在分子筛孔道内的扩散行为，为高性能催化体系的设计提供了理论基础与创新思路。
该研究创新性地应用了自主研发的时间分辨原位傅里叶变换红外光谱（TR in-situ FT-IR）技术，该技术以其时空分辨率与分子识别功能，成为跟踪分子筛内部动态扩散过程的有效方法。研究选取了异丁烷、1-丁烯、苯及甲苯等典型分子作为模型化合物，基于分子结构特征，系统解析了这些分子在沸石孔道内扩散行为的多维规律。结果显示，主-客体相互作用的强度、分子尺寸效应及分子构型特性共同作用于扩散过程，展现出复杂而显著的调控效应。尤为重要的是，通过精细调控H-ZSM-5沸石的硅铝比（Si/Al），研究深入揭示了酸性位点对各类分子扩散行为的差异化影响机制。具体而言，烷烃类分子在酸性位点浓度增加时扩散受阻，归因于烷烃与高密度酸性位点间氢键复合物的形成，导致扩散能垒提升。相反，对于1-丁烯等烯烃分子，酸性密度的提升却促进了其扩散，这归因于烯烃与酸性位点间形成的π-络合物作为“分子扩散加速器”，降低了扩散能垒，促进了传输效率。为深入洞悉这一微观动力学机制，研究对三维红外光谱数据进行了深度挖掘，不仅直观展示了分子浓度在时空维度的动态变化，还直接证据化了烯烃与酸性位点的特异性配位作用，为理解饱和与不饱和分子在酸性环境中的扩散行为差异提供了坚实的实验基础。
本研究不仅加深了对分子筛内分子扩散机制的理解，更为精准设计与调控具有优化传质性能的酸性位点沸石材料提供了新见解。这一研究成果有望为催化转化与分离过程技术创新带来新思路。
论文信息
Unraveling Molecular Diffusion Behaviors on the Acidic Sites of H-ZSM-5 Zeolite Using Time-Resolved In Situ FT-IR Technique
Dr. Xiaoliang Liu, Dr. Yu Wang, Prof. Dr. Jiawei Teng, Prof. Dr. Yangdong Wang, Prof. Dr. Zaiku Xie
ChemCatChem
DOI: 10.1002/cctc.202401144
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