近日，精密测量院固体核磁共振与多相催化团队在沸石分子筛活性位研究方面取得重要进展。研究团队发现水能诱导超稳Y（USY）分子筛中“NMR-Invisible”铝物种形成协同活性位，显著提高催化剂对二乙醚制乙烯的反应活性。相关研究结果发表在《美国化学学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）上。
为揭示这一机制，研究团队利用多核固体NMR结合理论计算，深入探究了脱水USY分子筛中“NMR-invisible”铝物种与水作用以及转变过程。研究发现，水分子在“NMR-invisible”铝位点上容易发生解离吸附，生成大量Brønsted酸位（BAS增量超过60%）和Brønsted/Lewis协同酸位，显著提升USY分子筛的催化活性。研究团队首先利用一维27Al MAS NMR（图1a）分析了不同含水量下脱水USY分子筛中铝物种的转变过程，发现水会在“NMR-invisible”铝上发生解离吸附，转变为“NMR-visible”铝物种（四配位、五配位和六配位铝），产生大量Brønsted酸位（图1b）。进一步利用二维1H-1H DQ-SQ NMR实验研究了水解离生成的氢物种的空间分布（图2a-e），揭示了新生成的Brønsted酸质子和Al–OH空间邻近而导致的Brønsted/Lewis协同酸位（图2f）。基于以上实验结果，研究团队揭示了水与“NMR-invisible”铝物种的作用机制，阐明了一种由水驱动修饰分子筛活性位点的调控机制，为水存在时分子筛催化行为提供了新的见解。
科研动态
精密测量院在沸石分子筛催化剂活性位研究方面取得重要进展
近日，精密测量院固体核磁共振与多相催化团队在沸石分子筛活性位研究方面取得重要进展。研究团队发现水能诱导超稳Y（USY）分子筛中“NMR-Invisible”铝物种形成协同活性位，显著提高催化剂对二乙醚制乙烯的反应活性。相关研究结果发表在《美国化学学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）上。
沸石分子筛凭借其规则有序的微孔结构和可调控的酸性，在石油化工与精细化工领域广泛应用。在分子筛的应用过程中，水扮演了多重角色，既可作为溶剂、反应物、产物，也能充当反应促进剂，同时还能通过改变分子筛的酸性来影响催化性能。然而，沸石分子筛中普遍存在的“NMR-invisible”铝物种，包括三配位骨架以及非骨架铝，作为主要的Lewis酸物种，其与水的作用机制尚未明确，导致其对催化反应的贡献常常被忽略。
为揭示这一机制，研究团队利用多核固体NMR结合理论计算，深入探究了脱水USY分子筛中“NMR-invisible”铝物种与水作用以及转变过程。研究发现，水分子在“NMR-invisible”铝位点上容易发生解离吸附，生成大量Brønsted酸位（BAS增量超过60%）和Brønsted/Lewis协同酸位，显著提升USY分子筛的催化活性。研究团队首先利用一维27Al MAS NMR（图1a）分析了不同含水量下脱水USY分子筛中铝物种的转变过程，发现水会在“NMR-invisible”铝上发生解离吸附，转变为“NMR-visible”铝物种（四配位、五配位和六配位铝），产生大量Brønsted酸位（图1b）。进一步利用二维1H-1H DQ-SQ NMR实验研究了水解离生成的氢物种的空间分布（图2a-e），揭示了新生成的Brønsted酸质子和Al–OH空间邻近而导致的Brønsted/Lewis协同酸位（图2f）。基于以上实验结果，研究团队揭示了水与“NMR-invisible”铝物种的作用机制，阐明了一种由水驱动修饰分子筛活性位点的调控机制，为水存在时分子筛催化行为提供了新的见解。
不同吸附水量（0、15、30和45水分子/晶胞）USY分子筛的
（a）一维27Al MAS NMR谱图和（b）非骨架以及骨架三配位铝上的水解离吸附过程示意图
USY分子筛吸附（a）0、（b）15、（c）30和（d）45水分子/晶胞的二维1H-1H DQ-SQ NMR谱图；
（e）二维谱在δDQ = 6.5和7.3 ppm处的切片；（f）Brønsted/Lewis协同位点产生过程示意图
相关研究以“Observation of Water-Induced Synergistic Acidic Site from NMR-Invisible Al in Zeolite via Solid-State NMR Spectroscopy”为题发表在《美国化学学会杂志》上。精密测量院与吉林大学联合培养博士研究生王星星为第一作者，精密测量院研究员徐君与吉林大学教授于吉红为文章通讯作者。
该项研究工作得到了科技部、国家自然科学基金委以及中国科学院的基金支持。
论文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c01756