近日，中國科學院青島生物能源與生物過程研究所（QIBEBT）研究團隊開發出一種突破性的鋁矽酸鹽沸石 ZMQ-1，成功解決了傳統沸石在處理大尺寸分子時的孔徑、穩定性與催化效率等限制，為石化產業的催化製程帶來重大進展。該研究成果發表於《自然》（Nature）期刊，指出 ZMQ-1 是首個具備內在相互連接的 28 環中孔結構的鋁矽酸鹽沸石。
目錄
ZMQ-1 的創新結構與設計
沸石是含有水架狀結構的鋁矽酸鹽礦物具有微孔結構的晶體材料，可以吸取或過濾其他物質的分子，所以又被稱為「分子篩」（Molecular sieve），在離子交換、吸附與催化等領域有廣泛應用。在日常生活中可以用作吸附劑和乾燥劑、催化劑或助催化劑、洗滌劑、建築材料等。然而，傳統沸石的微孔尺寸小於 2 奈米，這使其在處理較大分子時受到限制。
過去，研究人員曾嘗試透過酸鹼蝕刻等後處理方式引入介孔（2～50 奈米）或大孔（>50 奈米），得到微孔、介孔、大孔複合的「多級孔」或「等級孔」分子篩材料，但這些後續引入孔通常尺寸不均，導致分子篩結晶度、結構穩定性及酸強度的降低，使其難以滿足工業應用需求。
ZMQ-1 則突破了這一瓶頸，具備獨特的交叉中微孔通道系統，由 28×10×10 元環構成，其 28 環中孔尺寸達 22.32×11.84 埃米，進入介孔範疇。研究團隊利用三維電子衍射（3D ED）與掃描透射電子顯微鏡（STEM）技術對 ZMQ-1 的結構進行分析，結果顯示其 28 環中孔透過 10 環微孔窗口相互連接，形成高效的通道系統，使大分子與小分子均能順利擴散，從而解決了傳統沸石的擴散限制問題。
合成策略與穩定性提升
ZMQ-1 的成功合成歸功於基於磷的有機結構導向劑（OSDA）。與傳統銨基 OSDA 相比，磷基 OSDA 具有更強的正電荷與更高的穩定性，能夠促進穩定的介孔框架形成。此外，ZMQ-1 的結晶透過可調整矽鋁 (Si/Al) 比的水熱合成來實現，使其在特定應用中可進行客製化。
彭璐教授表示：「ZMQ-1 是第一種具有內在中微孔通道系統的鋁矽酸鹽沸石。與過去去除有機模板後結構易受損的介孔材料不同，ZMQ-1 的 28 環互連通道代表著沸石設計的重大突破。」
ZMQ-1 在催化應用中的優勢
傳統沸石在重油催化裂解過程中，因其微孔限制，較難有效處理大分子，而 ZMQ-1 則展現出優秀的催化性能。與商業化沸石催化劑相比，含磷的 ZMQ-1 沸石在重油催化裂解反應中對輕質燃料（如汽油、柴油）表現出更高的選擇性，且副產物如焦炭、液化石油氣與乾氣的產生量較少。
此外，ZMQ-1 具備更高的熱穩定性與水熱穩定性，確保其在嚴苛的工業條件下仍能維持性能。這種獨特的介孔結構與穩定的化學性質，使其在大尺寸分子催化轉化、吸附分離等領域具有極大的應用潛力。
結論
ZMQ-1 作為一種新型鋁矽酸鹽沸石，其內在中微孔通道結構成功解決了傳統沸石的孔徑限制問題，並顯示出優異的催化與穩定性能。此項技術的突破不僅將推動石化產業的催化製程發展也為重油裂解和綠色能源轉換的應用創造了新的機會，亦為未來功能性沸石材料的設計與應用開啟新的可能性。
參考文獻:
- 突破性新型沸石分子篩，更高效將重油轉為高價值燃料
- Breakthrough New Material Transforms Heavy Oil Into High-Value Fuels
- Peng Lu, Jiaoyan Xu, Yiqing Sun, Rémy Guillet-Nicolas, Tom Willhammar, Mohammad Fahda, Eddy Dib, Bo Wang, Zhengxing Qin, Hongyi Xu, Jung Cho, Zhaopeng Liu, Haijun Yu, Xiaobo Yang, Qiaolin Lang, Svetlana Mintova, Xiaodong Zou & Valentin Valtchev.(2024) A stable zeolite with atomically ordered and interconnected mesopore channel, Nature, 636, 368–373. DOI: 10.1038/s41586-024-08206-1
首圖來源：《自然》期刊
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