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沸石分子篩由于具有均一的微孔結構，內在可調的酸性，良好的水熱穩(wěn)定性以及擇形選擇性，在能源、催化、吸附、離子交換和石油化工等領域具有廣泛的應用。然而，傳統(tǒng)沸石分子篩的單一微孔體系（<2nm）不利于較大客體分子擴散進出，導致嚴重的擴散限制問題，降低催化劑的使用壽命。在微孔沸石中引入介孔體系（2-50nm）是解決擴散限制問題的重要策略。
目前，傳統(tǒng)模板法所使用的表面活性劑、高分子聚合物及納米碳材料都是基于介觀尺度的物理占據(jù)沸石內部空間，最后通過煅燒除去模板從而產生介孔結構。這些模板合成工藝復雜，成本高昂，不利于工業(yè)應用。2016年，本實驗室首次發(fā)現(xiàn)氨基酸及其衍生物可以作為廉價的致介孔劑合成具有介孔體系的A型沸石分子篩。氨基酸小分子由于其結構靈活、廉價易得、高穩(wěn)定性和高溶解性等特點，可以實現(xiàn)與沸石骨架的完美兼容，對層級多孔結構進行靈活的調控，易于工業(yè)放大應用。實驗室拓展了該策略的適用氨基酸和沸石范圍，然而厘清氨基酸如何誘導產生比其自身尺寸大一至兩個數(shù)量級的介孔仍是一個嚴峻的挑戰(zhàn)。
Chemistry of Materials封面，該封面圖描繪了小分子在沸石結晶中產生層級結構的能力
在本研究中，為了深入探究有機小分子致介孔的機理，研究人員通過選取具有不同官能團的有機小分子進行實驗，發(fā)現(xiàn)具有酸性質子并且pKa小于反應合成液pH（13.5）的小分子可以產生A型沸石晶內介孔結構，包括氧負離子、氮負離子和碳負離子的前驅體，而那些pKa大于13.5的小分子則無法誘導介孔的產生。
結合理論計算結果，研究人員提出有機小分子致介孔的機理：首先有機小分子在合成液中去質子化形成穩(wěn)定的有機負離子，該有機負離子通過親核進攻使骨架Si-O 和 Al-O鍵斷裂，同時反應液中的鈉離子與有機負離子通過靜電作用進行自組裝形成團簇，從而產生尺寸遠大于有機小分子的介孔孔道。該機理創(chuàng)新性地提出有機小分子通過化學作用誘導介孔結構的產生，與傳統(tǒng)模板法通過物理占據(jù)沸石內部空間產生介孔截然不同，為有機小分子調控介孔結構提供了啟發(fā)性的指導。
有機小分子致介孔劑的選擇標準和工作機理
以上研究由北京大學深圳研究生院洪梅副教授和上海大學劉軼教授共同指導，陳超博士和翟冬博士（共同第一作者）以及廣東省納米微米材料研究重點實驗室其他成員合作完成，得到了楊世和教授和其他研究人員的支持。以上工作得到了國家自然科學基金、廣東省省級科技計劃、深圳市科技計劃項目的資助。
來源 | 北京大學新聞網(wǎng) 編輯 | 化學加
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