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我院教师金梦婷关于沸石中Brønsted和Lewis酸位点动态平衡机理的研究取得新突破

2023-09-12 14:50:15   发布:赵海茹      点击:

近期,国际顶级期刊《Angewandte Chemie International Edition(德国应用化学)》(中科院一区、top期刊,影响因子16.823)在线刊登了我院教师金梦婷(第一作者)关于沸石中BrønstedLewis酸位点动态平衡机理并首次深入研究沸石骨架八面体Al物种(Al(Oh)的最新研究成果,论文题目为《沸石中BrønstedLewis酸位点动态平衡:骨架八面体Al物种》。



沸石(Zeolites)是一类重要的无机微孔晶体材料,由于其孔道结构、组成元素和活性位点类型的多样性和可调控性,使其作为一种重要的材料在许多领域得到了广泛的应用,特别是在多相催化、吸附/分离和离子交换方面的的性能非常优异。近年来,沸石在生物质能源转化过程、CO2捕集与原位转化过程、空气和水污染处理、储能储热、电池技术等领域都发挥着重要的作用。


a) 表示沸石中Brønsted酸位(BAS)转变为Lewis酸位LAS(n)的自由能变化示意图,n表示沸石骨架Al原子的配位数。图b) 是实验合成沸石样品的27Al NMR 谱图与计算模拟得到的不同配位数Al原子的化学位移值对比图。


沸石中决定催化活性的是BrønstedLewis酸位点,目前人们对沸石中的Brønsted acid sites (BAS)位点结构理解非常深入,但是对Lewis acid sites (LAS)位点的结构并不清楚。在含水的条件中,观测发现酸性沸石能够可逆的形成八面体结构骨架Al物种,但是对于结构和形成机理并不清楚。金梦婷等人结合27Al NMR实验表征和第一性原理理论模拟计算,首次给出了沸石中骨架八面体Al物种的结构特征和形成机理的细节。

该研究中,沸石样品的合成与表征是在苏黎世联邦理工学院的Jeroen A. van Bokhoven教授领导的实验室完成。金梦婷博士和查理大学的Petr Nachtigall教授,Lukáš Grajciar副教授等人结合实验样品中的硅铝比,水分子含量,27Al NMR等信息,构建了与实验样品高度重合的计算模型,结合第一性原理计算里面的分子动力学,慢增长以及热力学积分等计算方法,考虑了真实反应条件下的结构变化过程。研究发现沸石骨架八面体Al物种具有热力学稳定性,并且在室温下就能与Brønsted酸位点动力学连接。沸石骨架八面体Al物种的形成需要满足以下的条件: (i) 至少需要三个邻近的Brønsted酸位点,以允许质子在待形成的八面体Al周围转移和固定。 (ii) 骨架八面体Al物种形成于Al-O-Si-O-Al结构中的一个Al原子,两个Al原子间被单个骨架Si原子分开。(iii) 沸石孔道中的水分子对建立和稳定骨架八面体Al物种是必不可少的,在模拟计算过程可以描述真实的水溶液动力学过程非常重要。这项工作解决了沸石中骨架八面体Al物种的本质和可逆性问题,并为酸性沸石的结构在潮湿条件下变得不稳定提供了额外的证据。

 《Angewandte Chemie International Edition》的影响因子为16.8232021期刊引文报告,Clarivate2022),是该研究领域世界顶级的核心旗舰期刊,并持续保持领先地位。收录包含Communications, Research Articles, Reviews, Minireviews, Scientific Perspectives, Viewpoint Articles, and Highlights.等各种类型的内容,涉及领域主要分布在有机化学、生命有机化学、材料科学、催化等领域。

供稿:金梦婷


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