于吉红院士 Nat. Rev. Mater.：沸石在催化、分离和主-客体组装中的最新进展

【背景介绍】

沸石是一类具有有序分布的分子尺寸（<2 nm）微孔的无机晶体材料。通常是由TO₄四面体（T是四面体配位的Si、Al或P）构成，这些四面体通过共享氧顶点连接成环、笼、通道和3D四面体骨架。由于其独特的多孔结构，沸石可以作为分子筛，选择性地吸附和分离特定尺寸、形状和极性的客体物种。此外，沸石孔与其骨架中的催化活性中心结合所提供的空间限制使沸石能够作为独特的形状选择催化剂来催化形成特定的化学产物。由于其独特的形状选择性、可调酸度、高热稳定性和低成本，沸石是如今炼油和石化工业中最重要的固体催化剂。沸石合成和高分辨率表征技术的发展不仅有助于理解沸石材料的结构-性能关系，而且有助于合成许多新型的沸石和沸石基复合材料。通过调节多孔结构、骨架组成和酸度、晶体形状和尺寸，再加上引入外来活性物种，沸石和基于沸石的材料在许多具有挑战性的过程中表现出前所未有的高性能，例如催化难以实现的反应。同时，高反应性、选择性和稳定性以及温和的反应条件使这些材料成为生产高价值碳氢化合物和平台化学品的候选催化剂。

【成果简介】

近日，吉林大学于吉红院士（通讯作者）等人报道了一篇关于沸石和基于沸石的复合材料在催化、分离和主-客体组装方面最新应用的综述。首先，作者讨论了从非石化原料中高效催化生产工业上重要的碳氢化合物和含氧化合物，即液体燃料、轻烯烃、芳烃、甲醇、乙醇和乙酸。接着，作者讨论了沸石在常规方法和材料难以实现的挑战性分离中的性能，特别是烯烃/烷烃分离、二甲苯异构体分离、脱盐和脱水。然后，作者还简要回顾了几种具有沸石主体或自由客体前所未有的物理性质的主-客体系统，如沸石中的银团簇、沸石中的碳点（CDs）以及沸石中形成的超分子网络。最后，作者对沸石材料发展中面临的挑战和未来的研究方向提出了展望。研究成果以题为“Emerging applications of zeolites in catalysis, separation and host-guest assembly”发布在国际著名期刊Nature Reviews Materials上。

【图文解读】

图一、传统和沸石基费托催化剂的性能
（a）传统Fischer-Tropsch 催化剂和介孔Y型沸石（Y_meso）负载的Co催化剂（Co/Y_meso）的烃选择性；

（b）Co/Y_meso-Ce的产品分布，对汽油的选择性为74%；

（c）Co/Y_meso-La的产品分布，对喷气燃料的选择性达到72%；

（d）Co/Y_meso-K的产品分布，对柴油的选择性为58%。

图二、Na-Fe₃O₄/ZSM-5催化剂上CO₂加氢制汽油反应流程

图三、无缺陷Na-A沸石制导水膜的分离性能
（a）通过无缺陷的Na-A沸石导水膜（WCM）的分子运输途径；

（b）通过具有缺陷的常规Na-A膜的分子运输途径；

（c）在250 ℃和21 bar下，通过不同途径制备的膜在H₂O/CO₂/CO/H₂/CH₃OH混合物中的分离性能分别为1.77±0.14%、23.52%、0.98%、73.50%、0.23±0.02%。

图四、镁碱沸石分子筛中乙醇和水的压力诱导组织
（a）镁碱沸石的骨架和由乙醇和水分子在0.84 GPa压力下形成的氢键网络；

（b）乙醇分子形成二聚体，而水分子形成四聚体。

【总结与展望】

如今，研究人员采用了不同的后处理和原位方法制备分级沸石，使沸石具有更高的催化活性、选择性和寿命。还开发了无模板合成、无溶剂合成和自由基加速合成等可持续生产沸石的方法。但是，为了满足传统和新兴应用日益增长的需求，需要进一步努力开发高效、大规模的高性能沸石材料合成策略。除催化生产碳氢化合物和氧化物外，沸石催化剂还应用于许多可持续生产高价值化学品的过程，如甲烷活化、生物质转化、氮氧化物还原、制氢等。因此，开发高活性、高选择性、高收率、长寿命和低成本的高性能催化剂仍然是发展沸石催化剂的主要任务。常用方法是采用创新的合成方法设计沸石基复合催化剂。例如，开发制备合金纳米颗粒的合成策略，以提高Pt基催化剂的活性和催化寿命。沸石在分离领域的应用包括惰性气体分离、CO2捕获、甲烷捕获和储存、脱硫等。因此，开发具有高选择性和可再生性的沸石材料，以及在工作条件下具有高通量、选择性和稳定性的沸石膜，需要持续的进行研究。特别是，需要大规模生产2D沸石、沸石纳米片和坚固的无缺陷膜的新策略。此外，沸石材料还可以在能量转换和储存、电子和光学设备、环境保护等领域应用。

然而，目前许多涉及沸石的重要催化和分离过程的机理仍不清楚。特别是，对新兴应用的结构-性能关系的基本理解是非常需要的。虽然高分辨率和原位表征技术有助于沸石基复合材料的发展，但是时间分辨的高分辨率操作数表征仍然具有挑战性。从大量已发表文献中提取的实验数据可能存在不一致性，尤其是催化数据。同时，负面数据或失败实验的数据很少被报道，但对机器学习很关键。因此，需要开发新的工作流程、软件和设备来自动记录实验室数据，至少可以部分解决数据不一致和缺乏负面数据的问题。总之，沸石作为一种独特的无机功能材料，对现代化学工业的发展至关重要。得益于合成方法和表征技术的进步，以及跨学科整合的加强，满足不同领域日益增长的需求的新型沸石和沸石基复合材料的发现将会一直持续下去。

文献链接：Emerging applications of zeolites in catalysis, separation and host-guest assembly.Nature Reviews Materials,2021, DOI: 10.1038/s41578-021-00347-3.

本文由CQR编译。

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