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CC || 分子筛限域下的“气相微溶剂化”策略加速氢氘同位素交换反应

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第一作者:王红兵(成都理工大学)

通讯作者:王红兵(成都理工大学)

通讯单位:成都理工大学材料与化学化工学院

DOI:10.1039/d6cc01581f


成果简介与研究背景


01

成果简介


近期,成都理工大学王红兵课题组在《Chemical Communication》期刊发表了题为“Gas-phase micro-solvation within zeolite confinement accelerates hydrogen isotope exchange”的研究论文。

研究团队提出了一种全新的 “气相微溶剂化”策略,利用Pt@MFI分子筛的空间限域效应,在低湿条件下精准捕获痕量水分子,构建出局域化的动态水桥网络,充当低能质子通道。该策略将氢溢流能垒从0.57 eV降至0.40 eV,在353 K下实现高效氢同位素交换。原位光谱与DFT计算证实,水桥通过氢键网络分散电荷极化、稳定过渡态。该机制避免了液相体系的孔道堵塞,实现40小时稳定运行,破解了气-液催化困境,为限域催化微环境设计提供了新范式。

02

研究背景


氢同位素交换反应:(H2(g) + HDO(l) ↔ HD(g)+H2O(l))在核废料氚去除、重氢提取等关键领域具有重要应用。传统上采用液相反应,利用疏水催化剂(如Pt/PIFE)避免活性金属位点被水淹没。然而研究发现,密集的三维水网络或一维水链在微孔中会形成严重的空间阻碍,抑制H2扩散,降低反应效率。若将反应转移至气相,虽可消除扩散限制,但又面临新的动力学难题:缺乏高效的质子传递介质,导致界面氢转移能垒极高。这一“气-液动力学困境”长期制约着氢同位素交换的实际应用。因此,亟需发展一种既能提供质子传递通道、又能避免孔道淹水的新策略。


研究内容



图1:不同Pt负载量的Pt@HZSM-5催化剂的TEM和HAADF-STEM/EDS表征图像。


图2:Pt@HZSM-5催化剂在氘提取反应中性能研究。


图3:Pt@HZSM-5催化反应机理的原位表征及氢氘交换机理。


图4:H/D交换过程的DFT计算。


作者简介


王红兵,成都理工大学研究员,硕士生导师。2024年于中国工程物理研究院材料研究所获工学博士学位,同年入选成都理工大学“珠峰引才计划”C1类学科专业后备人才。主要从事能源小分子催化转化、表界面化学及多相催化领域的研究工作,聚焦于能源小分子的高效催化转化机制及表界面动态过程。现主持国家自然科学基金青年项目、成都理工大学“珠峰引才计划”科研启动基金等项目。担任Rare metals、Scientific Report等期刊青年编委,Chemical Engineering Journal等期刊审稿人。在Journal of Catalysis,Water Research,Applied Surface Science,ACS Applied Materials & Interfaces,Energy & Fuels,Chemical Engineering Journal,Journal of Materiomics,Chem Comm等期刊发表SCI论文20余篇,授权国家发明专利2项。



https://doi.org/10.1039/d6cc01581f

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