近日，我所低碳催化與工程研究部（DNL12）葉茂研究員、劉中民院士團隊聯合福州大學鮑曉軍教授、朱海波教授團隊在分子篩納米孔道傳遞領域取得重要進展。
大量工業催化研究與實踐表明，分子篩限域納米孔道能夠精準調控客體分子的擴散與遷移動力學，從而有效提高催化劑的活性、選擇性與穩定性。深刻理解并定量描述分子篩孔道內客體分子的限域傳遞與反應耦合過程，是工業分子篩催化劑設計和優化的關鍵。
傳統的理論計算方法，例如密度泛函理論或分子動力學模擬，僅能夠模擬有限局域空間內客體分子的限域傳遞過程，難以反映催化劑載體的尺寸效應。針對分子篩催化劑，創新性地建立限域納米孔道傳遞與反應耦合的理論模型，不僅能夠精準描述納米孔道中客體分子的傳遞與反應動態歷程，還能夠揭示宏觀分子篩載體性質對催化反應性能的影響機制。然而，構建這一理論模型需要對客體分子限域傳遞過程進行精確表征，這是當前研究的關鍵瓶頸。
近年來，葉茂和劉中民團隊發展了一系列具有高時空分辨率的分子篩納米孔道內客體傳質與傳熱的原位表征技術 (Nat. Commun.，2020；Angew. Chem. Int. Ed.，2022；ACS Catal.，2023；J. Am. Chem. Soc.，2024)；在理解限域分子與熱量傳遞機制的基礎上，建立了具有一定普適性的納米孔道“傳遞-反應”耦合模型（Nat. Commun.，2021；AIChE J.，2022；J. Am. Chem. Soc.，2025）。
基于長期在限域納米孔道傳遞與反應耦合模型的研究基礎，本工作中，葉茂和劉中民團隊創新性地建立了分子篩尺度下金屬團簇限域遷移-團聚理論模型：通過第一性原理模擬獲得了分子篩納米孔道中金屬團簇的遷移與團聚動力學，結合分子篩限域“傳遞-反應”理論模型框架，首次建立了分子篩限域納米孔道內金屬團簇的遷移與團聚模型。該模型可揭示分子篩微區納米孔道內金屬團簇遷移與團聚的動態歷程，定量描述分子篩尺寸對金屬團簇時空分布的影響。
進一步，葉茂和劉中民團隊與鮑曉軍和朱海波團隊等合作，借助多種原位高時空分辨譜學表征技術，證明了該模型的可靠性。研究發現，分子篩載體尺寸是調控金屬團簇“外表面團聚”（形成低活性的金屬納米顆粒）與“孔道內聚集”（形成高活性的金屬亞納米團簇）兩種競爭機制的關鍵。此外，合作團隊通過調控Silicate-1(S-1)分子篩載體的b軸長度發現，當S-1載體b軸長度大于2 μm時，遷移路徑的延長迫使Pt物種在分子篩孔道內定向發生“孔道內聚集”并形成亞納米Pt團簇，實現了將其鎖定于納米孔道中，有效避免了Pt物種形成團聚導致的催化劑不可逆失活。基于這一發現，合作團隊提出通過增加分子篩載體尺寸實現Pt物種的“擴散-聚集-自鎖”機制，創制出具有超高穩定性的丙烷脫氫Pt-Sn@MFI催化劑。
本工作首次實現了分子篩尺度下金屬團簇遷移與團聚歷程的定量描述，為通過準確調變分子篩載體性質來精準調控限域金屬團簇遷移-團聚過程提供了重要理論基礎。
相關成果以“Pt migration-lockup in zeolite for stable propane dehydrogenation catalyst”為題，于近日發表在《自然》（Nature）上。該成果的共同第一作者為福州大學已畢業博士徐志康、我所已畢業博士高銘濱、中國科學院上海應用物理研究所已畢業博士韋堯。該項研究工作得到國家自然科學基金、國家重點研發計劃等項目的資助。（文/圖 高銘濱、葉茂）
