化工系王铁峰、蓝晓程团队运用“分子井”新机制实现铂-沸石复合催化剂高选择性加氢
发布时间: 2026-07-06 11:16:59
清华新闻网6月26日电 沸石分子筛限域的金属催化剂是新一代多相催化材料，在加氢、脱氢、氢甲酰化等重要反应中展现出超越传统负载型催化剂的优异性能。然而，金属-分子筛空间结构对催化选择性的影响机制至今尚不明确。
近日，清华大学化工系王铁峰教授、蓝晓程助理研究员团队在原子尺度上识别并量化了铂（Pt）物种在MFI型沸石（Silicalite-1）中形成的两种截然不同的三维微环境，并提出“分子井”（molecule-well）机制，揭示了其如何通过空间位阻精准调控不饱和醛吸附构型，进而实现目标产物不饱和醇的高选择性。
研究团队将Pt以亚纳米团簇（~0.8nm）和纳米颗粒（~3.6nm）两种形式封装于Silicalate-1沸石内部。令人意外的是，在具有挑战性的小分子不饱和醛——3-甲基巴豆醛（3-mCRAL）加氢反应中，两种催化剂的选择性表现出显著差异：Pt团簇催化剂对目标不饱和醇的选择性不足5%，而Pt纳米颗粒催化剂的选择性却高达80%以上。
图1.两种不同三维环境的Pt-分子筛催化剂
这一反直觉的现象促使团队深入探索沸石内部金属物种的局部环境。研究团队发现，亚纳米Pt团簇主要锚定在MFI沸石的正弦孔道内，反应物分子可通过“通道可达（channel-access）”模式自由接近Pt位点，C=C键优先吸附，导致饱和醛副产物占主导；而较大的Pt纳米颗粒则与沸石骨架形成类似“分子井”的受限空间——反应物分子只能通过狭窄的“井口”接近Pt位点，C=C键的吸附因空间位阻而被显著抑制，C=O键吸附成为主导路径，从而实现了目标产物不饱和醇的高选择性。
图2.（a）反应性能差异；（b）DFT计算吸附能；（c-d）Pt亚纳米团簇与分子筛形成的空间环境；（e-f）Pt纳米颗粒与分子筛形成的空间环境
DFT计算进一步量化了这一“分子井”效应的几何要求。对于尺寸较大的3-甲基巴豆醛，当尝试以C=C键构型进入“分子井”时，分子末端甲基与沸石骨架发生空间冲突，导致吸附能为正值（即无法稳定吸附）；而以C=O键构型吸附时，分子得以稳定进入井中。这种吸附构型的差异，进一步通过原位红外光谱实验得到了验证。该研究为理解金属-分子筛催化剂中三维空间结构与催化反应性能的关系提供了新思路。
研究成果以“铂-沸石分子井调控分子吸附以实现高选择性加氢”（Molecule-well in platinum-zeolite engineers molecular adsorption for highly selective hydrogenation）为题，于6月22日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。
清华大学化工系助理研究员蓝晓程为论文第一作者和共同通讯作者，清华大学化工系教授王铁峰为论文共同通讯作者。论文共同作者还包括清华大学化工系2021届本科毕业生范顺鑫、2024级博士生黄志祥、2022级博士生槐梦娇、2024级硕士生刘德怀。研究得到国家自然科学基金和鄂尔多斯实验室的资助。
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