【儀表網 研發快訊】沸石分子篩是一種微孔結晶材料，在化工、能源、環保等多個領域應用廣泛。傳統沸石分子篩的微孔尺寸小于2納米，這一特性使其成為實現客體分子擇型催化和吸附分離的關鍵，但是這些微小的孔隙同時也限制了其在處理更大尺寸大分子過程中的應用。因此，開發出具有更大孔徑尺寸的沸石分子篩一直是該領域科學家們夢寐以求的目標，同時也是一項艱巨的挑戰。通過酸堿刻蝕等后處理方式，可以將介孔(2-50納米)或大孔(大于50納米)引入沸石分子篩中，得到微孔、介孔和大孔復合的“多級孔”或“等級孔”分子篩材料，但這些后引入孔通常尺寸不均一，而且會對分子篩的結晶度、酸強度和結構穩定性產生削弱。前期，研究者通過引入表面活性劑或有機模板劑實現了含本征介孔的分子篩材料的成功合成，但這些材料均為非結晶組成或結構穩定性差，無法滿足苛刻的實際工業生產條件要求。
近日，青島能源所Valentin Valtchev研究員和盧鵬副研究員帶領的研究團隊在新型沸石分子篩合成領域取得了突破性進展，將為化學工業領域中涉及大分子的處理過程和擴散限制過程提供更加廣闊的應用。
研究團隊設計并合成了一種雙季磷陽離子作為有機結構導向劑和模版劑，利用結構導向和空間填充雙重作用，首次實現了本征介孔與微孔在原子層面的完美連接，成功制備出了一種新型硅酸鹽沸石分子篩ZMQ-1(Zeolitic Materials, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, No.1；青島能源所分子篩材料1號)。研究團隊與斯德哥爾摩大學鄒曉冬教授合作，結合先進的三維旋轉電子衍射電鏡技術、X射線粉末衍射、積分差分相位襯度成像透射電鏡以及固體核磁共振技術，成功解析了該分子篩的復雜結構。ZMQ-1擁有由28×10×10元環構成的三維孔道系統(圖1)，其中28元環的尺寸達到了22.32 × 11.84 Å，這一尺寸已邁入介孔范疇。更為重要的是，該沸石分子篩具有高的熱穩定性和水熱穩定性，且分子篩骨架硅鋁比可調。因此，ZMQ-1沸石分子篩是目前已知的首例通過全合成方法制備的結構穩定的本征介孔硅鋁酸鹽沸石分子篩。
圖1 ZMQ-1沸石分子篩的結構和iDPC-STEM圖像
此外，ZMQ-1分子篩具有高的熱和水熱穩定性、豐富的中強B酸位點。在重油催化裂化反應中，與商業化沸石分子篩催化劑相比，含磷ZMQ-1沸石分子篩表現出對輕質燃料(汽油和柴油)較高的選擇性，并且產生的焦炭、液化石油氣和干氣等產物也較少(圖2)。這一新型沸石分子篩的成功制備，為分子篩材料領域的發展提供了新的思路和方向。其獨特的介孔結構和穩定的化學性質有望在大尺寸分子催化轉化和吸附分離工業應用中發揮重要作用。
圖2 ZMQ-1與商業化沸石分子篩上的重油催化裂化反應結果
研究成果以“A stable zeolite with atomically ordered and interconnected mesopore channel”為題在線發表在國際頂級期刊Nature上，盧鵬、孫奕晴和斯德哥爾摩大學徐姣艷為共同第一作者，Valentin Valtchev和盧鵬為論文通訊作者。該工作獲得青島能源所啟動基金、青島能源所國際合作基金、國家自然科學基金等項目的支持。(文/圖 盧鵬、孫奕晴)
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