近日，中國散裂中子源（CSNS）通用粉末衍射儀（GPPD）用戶(hù)科學(xué)成果在國際頂級期刊Nature雜志上線(xiàn)（Nature, 628, 99–103 (2024)）。這項工作由吉林大學(xué)于吉紅院士和陳飛劍教授、華東師范大學(xué)吳鵬教授、南京大學(xué)黎建研究員等組成的國內研究團隊，同西班牙馬德里材料研究所Miguel A. Camblor教授合作，通過(guò)鏈間擴展法成功合成了一例具有20 × 16 × 16元環(huán)孔道系統的三維穩定超大孔分子篩ZEO-5，這一成果再次刷新了穩定全連接超大孔分子篩的孔道大小記錄。研究團隊利用中子衍射、三維電子衍射、同步輻射粉末X射線(xiàn)衍射、球差校正掃描透射電鏡以及固體核磁共振技術(shù)，確定了沸石三維穩定超大分子篩精細結構。
沸石分子篩（zeolite）是一類(lèi)結晶性微孔硅鋁酸鹽，其作為催化劑、吸附劑、離子交換劑在傳統化工、環(huán)境領(lǐng)域以及新興儲能、光電器件、生物醫學(xué)、燃料電池、生物質(zhì)轉化等領(lǐng)域有著(zhù)重要的應用。具有超大孔道結構的沸石分子篩在處理大尺寸分子催化轉化和吸附分離的工業(yè)應用方面有著(zhù)很大的需求。三維穩定超大孔分子篩的合成一直是分子篩合成領(lǐng)域所面臨的一項極大挑戰。
研究團隊成功合成的ZEO-5超大孔分子篩的結構中包含兩個(gè)前所未有的張力極大的雙四環(huán)單元（三重四環(huán)）拓撲結構，這種結構在沸石分子篩中尚無(wú)先例。該分子篩擁有超大的晶胞和輕元素組成，這給其結構的確定帶來(lái)了顯著(zhù)挑戰。中子衍射技術(shù)，以其高分辨率和對輕元素的敏感性，為解析這一復雜結構提供了關(guān)鍵手段。得益于CSNS通用粉末衍射儀寬d值探測范圍、高的分辨率以及良好的信噪比，研究者通過(guò)對GPPD中子衍射、三維電子衍射、同步輻射粉末X射線(xiàn)衍射數據的精確解析，成功獲取了更精確的鍵長(cháng)和鍵角等精細結構信息，結合球差校正掃描透射電鏡以及固體核磁共振技術(shù)，驗證了超大三重四環(huán)結構的真實(shí)性。這一研究成果突破了傳統分子篩晶化理論極限，顛覆了分子篩水熱合成的固有認識，進(jìn)一步證明基于新的反應機制可以實(shí)現傳統水熱合成難以得到的三維穩定超大孔分子篩的結構構筑。這項工作為分子篩材料領(lǐng)域的發(fā)展提供了新的思路和方向，具有重要的科學(xué)意義和應用價(jià)值。
文章鏈接：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07194-6.
圖1. ZEO-4和ZEO-5的基礎表征和ZEO-5的孔道系統及孔徑尺寸
