利用固体核磁共振揭示MFI型分子筛限域环境下的芳烃受阻运动机理

近日，大连化物所固体核磁共振及前沿应用研究组（510组）侯广进研究员、陈魁智研究员团队，利用固体核磁共振（ssNMR）技术，研究了客体芳烃分子运动行为，并对分子筛孔道的限域效应提出了新的理解。

分子筛独特的微孔孔道结构赋予其限域效应，对吸附分离和择型催化发挥重要作用。通常，分子筛限域效应随吸附分子尺寸和分子筛孔道尺寸临近而愈发显著，但考虑到分子筛骨架结构、酸性位点分布和吸附分子构型之间的复杂关联，在分子尺度上借助实验研究分子筛限域效应较为困难。MFI型分子筛独特的直通孔道、zigzag孔道及孔道交叉共存的环境，对以甲基取代苯为代表的芳烃分子具有独特的限域效应，芳烃相关的反应和失活机理受到广泛关注。

本工作中，研究人员借助²H NMR并结合DFT计算发现，体积较大的偏三甲苯在室温下即可被MFI型分子筛吸附并占据孔道交叉处。偏三甲苯的传输扩散在纯硅silicate-1中表现为沿直通孔道的一维扩散，在孔道交叉处表现为孔道结构关联的三维受阻运动行为。动力学过程速率由快到慢的顺序为甲基C₃转动、朝向zigzag孔口112°翻转、朝向zigzag孔口和直通孔口间90°翻转、延直通孔道的跨孔扩散运动。研究还发现，在H-ZSM-5中，上述平动和转动行为受Brønsted酸位吸附影响，进一步受阻。该工作为MFI型分子筛对芳烃分子独特的限域效应提供了实验证据，对理解芳烃相关的反应和失活过程提供了新的见解。

相关成果以“Untangling Framework Confinements: A Dynamical Study on Bulky Aromatic Molecules in MFI Zeolites”为题，于近日发表在ACS Catalysis上。该论文的共同第一作者是大连化物所510组博士研究生纪毅和刘正茂。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、辽宁省兴辽英才计划等项目的资助。