科学家打造铝位置测定新方法，实现铝原子的精确定位

“眼下，我们正在筹备一家专注于超大孔沸石大规模合成的公司。”香港理工大学教授劳子桓告诉 DeepTech。这家新公司所使用的技术，基于他和合作者于近期发表在Science的一篇论文。

在这篇论文之中，他们成功开发了一种能够精确定位 H-ZSM-5 沸石中铝（Al）原子的技术，并实现了单铝分布和铝对分布的精确测定。

通过结合共振软 X 射线衍射（RSXRD，Resonant Soft X - ray Diffraction）和分子吸附技术，研究团队首次直接表征了铝对的存在及其与氨分子的相互作用。

审稿人认为研究团队解决了一个长期存在的科学问题——沸石中铝位置测定，并首次直接证实了铝对的存在。其认为，本研究不仅提供了铝位置测定的新方法，还为沸石催化剂的精确设计和优化奠定了重要基础。

这些成果为理解沸石的催化活性、分子吸附几何形状以及反应机制提供了新的视角，为沸石催化剂的精确设计和优化提供了新的理论基础和技术手段，对理解沸石的催化机制、分子吸附行为以及反应选择性具有重要的科学意义。

为沸石催化剂的精确设计和优化提供了强有力工具

具体来说，本次研究成果包括以下几个方面：

其一，实现了铝原子的精确定位。研究团队利用 RSXRD 技术结合分子吸附实验，首次精确确定了 H-ZSM-5 沸石中“单个铝”和“铝对”的位置。研究发现，铝主要分布在三个四面体（T）位点：T8 位于直通道中，T6 位于交叉通道的空隙中，T4 位于正弦通道中。这一发现为沸石中铝的分布规律提供了清晰的晶体学证据。

其二，实现了铝对的发现。通过晶体学方法，研究团队首次直接证实了 H-ZSM-5 沸石中存在“铝对”（即两个铝原子在空间上靠近形成 Al-O-Si-O-Al 结构）。铝对的存在对分子吸附和催化反应具有重要影响，尤其是在双分子反应中表现出显著的协同效应。

其三，揭示了分子吸附行为。通过氨（NH₃）吸附实验，研究团队发现 NH₃ 在 H-ZSM-5 沸石中的吸附行为与铝的位置密切相关。单个铝位点上会发生孤立吸附，而铝对上则发生桥接吸附。这种吸附行为的差异直接影响了沸石的催化活性和选择性。

其四，实现了新技术的开发与应用。研究团队开发了一种多能量 RSXRD 技术，结合分子吸附实验能够直接解析沸石中铝原子的位置及其与吸附分子的相互作用。这一技术为沸石催化剂的精确设计和优化提供了强有力的工具。

其五，实现了理论计算的验证与支持。通过密度泛函理论（DFT，Density Functional Theory）计算，研究团队验证了实验观察到的 NH₃ 吸附行为，并进一步解释了不同铝位点上 NH₃ 吸附的化学位移差异。理论计算与实验结果高度吻合，这为此次发现提供了坚实的理论支持。

通过精准定位铝原子，能够更好地设计和优化沸石催化剂，提高其在石油精炼和化工反应中的转化率和选择性。同时，通过合理改进催化剂将有效减少工业过程中的碳排放，促进更清洁更高效的催化反应，帮助实现可持续发展目标。

联合英国钻石光源改造实验装置

据介绍，这项研究始于 2014 年劳子桓在英国牛津大学读博期间。当时，他和所在团队对于沸石中铝的分布以及反应底物的三维立体特异性吸附化学产生了浓厚兴趣，因为这与许多催化反应（比如甲醇升级和烃类裂解中的催化性能）密切相关。

在初期研究中，他们使用了一系列探针分子（比如吡啶、甲醇和氨），来间接地探测 H-ZSM-5 沸石中的相关化学特性。这些工作为后续与不同催化反应相关的沸石化学研究奠定了基础。

与此同时，尽管他们取得了一定进展，沸石化学中仍有许多关键问题尚未解决，这主要是由于缺乏合适的表征方法。虽然直接确定沸石中铝的晶体学位置、浓度和分布极具挑战性，但是对推动该领域的发展至关重要。

此前，粉末 X 射线衍射（PXRD，Powder X-ray Diffraction）和固态核磁共振（NMR，Solid-State Nuclear Magnetic Resonance）研究已经证实骨架铝位点是非随机分布的，但是由于铝和硅的散射因子几乎相同，导致传统的表征技术受限于分辨率与三维纵深分辨能力。

为此，在本次研究之中，研究团队通过结合探针辅助技术和共振软 X 射线粉末衍射来解决这些问题，并在铝和硅的 K 边能量以下收集了衍射数据。

期间的主要难点在于：在如此低的软 X 射线能量下进行衍射测量，就必须在超高真空条件下进行，而大多数软 X 射线光束线并非专门为粉末 X 射线衍射设计。

为了克服这些困难，研究团队与欧洲领先的同步加速器实验室英国钻石光源（Diamond Light Source）I10 光束线团队开展了密切合作，针对实验装置进行了改造，这让本次研究得以顺利完成。

最终，相关论文以《H-ZSM-5 分子筛中铝单位和双位点的原子位置和吸附剂相互作用》（Atomic locations and adsorbate interactions of Al single and pair sites in H-ZSM-5 zeolite）为题发在Science[1]。

香港理工大学助理教授李光超是第一作者，英国牛津大学教授曾适之、中国科学院精密测量科学与技术创新研究院研究员邓风和香港理工大学副教授劳子桓担任共同通讯作者。

将开发新型交叉偶联反应

基于本次研究的成果，研究团队计划进一步拓展工作，探索更多的基础化学问题。例如，如何在沸石合成过程中控制铝的位置和分布，以及如何通过原子级工程手段将沸石应用于有机转化反应中。目前，研究团队正在准备一些关于脱硝交叉偶联反应的工作。

目前，聚焦于硝基芳烃与多种偶联伙伴的脱硝交叉偶联反应，他们已经成功实现了高效的 C-C 和 C-X（X = N、O、P、S 和 Se）键形成。同时，他们还利用同一分子筛负载双原子催化剂拓展了超过 120 种偶联伙伴，其对芳烃取代基的显著耐受性超越了当前最先进水平，代表了该领域的尖端进展，预计将为药物和精细化学品的可持续生产提供重要支持。

将开发新型超大孔沸石

如前所述，研究团队正在筹备公司。谈及做产业化的原因，劳子桓表示，沸石以其结晶微孔结构和可控的酸性中心而闻名，这些特性对于尺寸和形状选择性催化至关重要。然而，传统沸石的孔径通常小于 8Å，这限制了其有效处理大分子的能力，并对进一步工业应用提出了重大挑战。分子进出沸石内部空间的传输（吸附和反应发生的地方）是其功能的关键。这一限制凸显了对更大孔径沸石的迫切需求，也推动了他们对于新型超大孔沸石开发的显著兴趣。

超大孔沸石因其扩大的孔径而具有优异的传质特性，从而提高了稳定性和转化效率，这一点在涉及长链烃类的催化裂化反应中尤为明显，这些长链烃类通常价值较低且应用有限，例如用作润滑油或重质燃料。

然而，目前由于无法实现公斤级或吨级生产，其商业探索和应用受到了严重限制。预计研究团队的公司将直接解决这一问题，填补这一重要领域的关键空白。

劳子桓表示，香港理工大学最近在广东惠州成立了研究创新研究院，专注于发展绿色催化和可持续化学。他和团队将利用这一战略平台，将他们在沸石领域的专业知识转化为实际应用。“目前，多家全球大型企业（如埃克森美孚和中海壳牌）已表示有兴趣与我们团队合作。因此，我们对于未来充满信心。”劳子桓表示。

参考资料：

1.Guangchao Li et al. Atomic locations and adsorbate interactions of Al single and pair sites in H-ZSM-5 zeolite.Science387, 6732, 388-393(2025). DOI: 10.1126/science.adq6644

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