科学家在纳米超大孔沸石领域取得重要突破

来源:中国网

高效、环保的催化材料是推动石化产业升级和绿色能源转型的关键。沸石作为一类具有独特孔道结构和可控酸性中心的晶态微孔材料，在石油炼化、精细化工和环境保护等领域应用广泛。然而，传统沸石孔径较小、晶粒尺寸较大，易导致传质效率低、积碳等副反应，制约了其在处理大分子、特别是重质油品方面的应用。纳米超大孔沸石能有效解决这些瓶颈：更小的晶粒尺寸可缩短传质距离并增加可接触的活性位点，更大的孔道尺寸能为大分子反应物提供更“宽敞”的通道。然而，这类沸石的创制挑战巨大，即使能够实现，其复杂的孔道结构和纳米级晶体尺寸又为精确的结构解析带来困难，从而大大延缓了新结构纳米超大孔沸石的发现。

近日，由南京大学、香港理工大学、中石化石油化工科学研究院等单位组成的联合科研团队，创新性地将最先进的微晶电子衍射技术与高通量组合化学方法相结合，在纳米超大孔沸石的创制方面取得重要进展。得益于有效的研究策略和强大的研究工具，团队得以在短时间内筛选并高效优化合成条件，最终成功创制两种具有里程碑意义的新型纳米超大孔沸石，并对它们的复杂结构和催化性能开展了详细研究。相关研究成果于近期发表于国际顶级学术期刊《Science》杂志上。

两种新型纳米超大孔沸石的结构示意图

这两种新结构纳米超大孔沸石具有超薄纳米片或纳米棒状形貌，可显著缩短大分子的传质距离并提高活性位点的可及性。更关键的是，它们都拥有三维贯通的孔道结构系统，主孔道为22环的超大孔道，其最大自由球直径接近1.2纳米，远超现有绝大多数沸石，为大分子底物的高效扩散和催化转化提供了前所未有的空间。同时，这两种沸石还表现出卓越的热稳定性和水热稳定性，以及极高的比表面积和微孔体积。这些优异的物理化学性质为它们在严苛的工业应用环境中稳定运行奠定了基础。

在实际的重油流化催化裂化过程中，这两种新型沸石均表现出优于传统沸石的催化性能，不仅重油的转化率更高，轻质燃料（如汽油和柴油）的产率也更佳。值得一提的是，它们对丙烯的选择性也显著优于传统沸石对丙烷的选择性，而丙烯作为重要的石化基础原料，其高选择性生产有助于我国石化产业的高端化发展。此外，这两种沸石的性能在连续的催化过程中无明显衰减甚至略有提升。这些成果充分证明了纳米超大孔沸石优异的催化性能以及在石油化工等领域实际应用的广阔前景。

这项研究的成果，不仅是沸石材料科学领域的一次重大突破，更是我国基础科研与应用研究紧密结合的生动范例。香港理工大学的容家富教授/林聪博士团队在本研究中发挥了重要作用，体现了香港特别行政区强大的科研力量，为国家科技发展贡献了香港智慧和香港力量。未来，随着技术的进一步成熟和产业化发展，新型纳米超大孔沸石将应用于石油化工、精细化工等众多领域，为我国乃至全球的能源转型和可持续发展贡献中国方案和中国力量。（王瑞）