催化大牛，Bokhoven教授最新Science！

一、【科学背景】

沸石（例如ZSM-5）在炼油、精细化工生产中及环保催化（如碳氢化合物转化、N₂O分解等）用作非均相酸催化剂，具有坚固的晶体结构，具有明确、相互连接的孔。沸石骨架由四面体配位的硅（Si）和Al（Al）原子（统称为T原子）组成，它们通过氧（O）桥连接，可以排列成各种几何形状，形成具有独特吸附和催化性能的不同通道系统。Al原子在沸石中的分布是决定催化活性中心性能的关键参数。Al原子引入的负电荷需要通过框架外的反离子物种来平衡，这些反离子作为活性位点，表现出酸性和氧化还原活性。然而，传统技术（如核磁共振、紫外光谱）对沸石的分析仅能提供局部环境信息，无法精确定位Al的晶体学位置。了解Al分布、T位点依赖性反应性和催化性能之间的关系仍然是沸石研究领域面临的最大挑战之一。

二、【创新成果】

基于以上难题，瑞士苏黎世联邦理工学院Jeroen A. van Bokhoven教授与捷克共和国科学院物理化学研究所Kinga Mlekodaj教授、Przemyslaw Rzepka教授联合在Science上发表了题为“Aluminum distribution and active site locations in the structures of zeolite ZSM-5 catalysts”的论文，首次确定了Al原子在ZSM-5结构中的确切位置。具体的，研究人员开发了一种利用Al K边（1.56 keV）的共振散射来精确定位沸石结构中Al原子位置的方法—AXRPD。通过在Al K边附近和远离Al K边的X射线能量下测量布拉格反射强度的差异，可以最明确地将Al分配到框架结构中的T原子位置。与仅能报告Al周围局部环境的光谱学方法不同，AXRPD探测了ZSM-5骨架内Al原子的长程有序性，精确量化了孤立的Al原子和Al(-O-Si-O-)_xAl序列（Al对）。在核磁共振研究的支持下，AXRPD明确地确定了Al对的晶体结构，光谱上被识别为α、β和γ位点，并将它们的分布与丙烯低聚中的优异催化活性联系起来。这种组合方法为优化沸石催化剂和提高其性能提供了重要见解。

三、【图文解析】

图1  ZSM-5 结构模型的结构因子 © 2025 AAAS

图2  LAP-ZSM-5 框架结构中 T 位点的Al分布 © 2025 AAAS

图3  HAP-ZSM-5 框架结构中 T 位点的Al分布 © 2025 AAAS

图4  Al的配位 © 2025 AAAS

四、【科学启迪】

Al在ZSM-5沸石中的组织及其周期性分布为催化机制提供了有价值的见解。综上，本研究通过AXRPD和NMR的协同分析，首次在ZSM-5沸石中精确定位Al原子和Al对的晶体学位置，为理性设计下一代具有定制性能的沸石基材料提供了基础，还揭示了对沸石催化剂中Al分布与催化性能之间关系的理解，有助于开发更高效、更选择性的催化剂。这一成果不仅解决了沸石科学中Al位点表征的关键挑战，还为优化工业催化剂（如石油炼制、烯烃合成）提供了结构—性能关系的理论基础，推动了“自下而上”设计高性能沸石材料的研究方向。

原文详情：Aluminum distribution and active site locations in the structures of zeolite ZSM-5 catalysts (Science 2025, 388,423-428, DOI: 10.1126/science.ads7290)

本文由大兵哥供稿。