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高效、環(huán)保的催化材料是推動(dòng)石化產(chǎn)業(yè)升級(jí)和綠色能源轉(zhuǎn)型的關(guān)鍵。沸石作為一類(lèi)具有獨(dú)特孔道結(jié)構(gòu)和可控酸性中心的晶態(tài)微孔材料，在石油煉化、精細(xì)化工和環(huán)境保護(hù)等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。然而，傳統(tǒng)沸石孔徑較小、晶粒尺寸較大，易導(dǎo)致傳質(zhì)效率低、積碳等副反應(yīng)，制約了其在處理大分子、特別是重質(zhì)油品方面的應(yīng)用。納米超大孔沸石能有效解決這些瓶頸：更小的晶粒尺寸可縮短傳質(zhì)距離并增加可接觸的活性位點(diǎn)，更大的孔道尺寸能為大分子反應(yīng)物提供更“寬敞”的通道。然而，這類(lèi)沸石的創(chuàng)制挑戰(zhàn)巨大，即使能夠?qū)崿F(xiàn)，其復(fù)雜的孔道結(jié)構(gòu)和納米級(jí)晶體尺寸又為精確的結(jié)構(gòu)解析帶來(lái)困難，從而大大延緩了新結(jié)構(gòu)納米超大孔沸石的發(fā)現(xiàn)。

近日，由南京大學(xué)、香港理工大學(xué)、中石化石油化工科學(xué)研究院等單位組成的聯(lián)合科研團(tuán)隊(duì)，創(chuàng)新性地將最先進(jìn)的微晶電子衍射技術(shù)與高通量組合化學(xué)方法相結(jié)合，在納米超大孔沸石的創(chuàng)制方面取得重要進(jìn)展。得益于有效的研究策略和強(qiáng)大的研究工具，團(tuán)隊(duì)得以在短時(shí)間內(nèi)篩選并高效優(yōu)化合成條件，最終成功創(chuàng)制兩種具有里程碑意義的新型納米超大孔沸石，并對(duì)它們的復(fù)雜結(jié)構(gòu)和催化性能開(kāi)展了詳細(xì)研究。相關(guān)研究成果于近期發(fā)表于國(guó)際頂級(jí)學(xué)術(shù)期刊《Science》雜志上。

兩種新型納米超大孔沸石的結(jié)構(gòu)示意圖

這兩種新結(jié)構(gòu)納米超大孔沸石具有超薄納米片或納米棒狀形貌，可顯著縮短大分子的傳質(zhì)距離并提高活性位點(diǎn)的可及性。更關(guān)鍵的是，它們都擁有三維貫通的孔道結(jié)構(gòu)系統(tǒng)，主孔道為22環(huán)的超大孔道，其最大自由球直徑接近1.2納米，遠(yuǎn)超現(xiàn)有絕大多數(shù)沸石，為大分子底物的高效擴(kuò)散和催化轉(zhuǎn)化提供了前所未有的空間。同時(shí)，這兩種沸石還表現(xiàn)出卓越的熱穩(wěn)定性和水熱穩(wěn)定性，以及極高的比表面積和微孔體積。這些優(yōu)異的物理化學(xué)性質(zhì)為它們?cè)趪?yán)苛的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境中穩(wěn)定運(yùn)行奠定了基礎(chǔ)。

在實(shí)際的重油流化催化裂化過(guò)程中，這兩種新型沸石均表現(xiàn)出優(yōu)于傳統(tǒng)沸石的催化性能，不僅重油的轉(zhuǎn)化率更高，輕質(zhì)燃料（如汽油和柴油）的產(chǎn)率也更佳。值得一提的是，它們對(duì)丙烯的選擇性也顯著優(yōu)于傳統(tǒng)沸石對(duì)丙烷的選擇性，而丙烯作為重要的石化基礎(chǔ)原料，其高選擇性生產(chǎn)有助于我國(guó)石化產(chǎn)業(yè)的高端化發(fā)展。此外，這兩種沸石的性能在連續(xù)的催化過(guò)程中無(wú)明顯衰減甚至略有提升。這些成果充分證明了納米超大孔沸石優(yōu)異的催化性能以及在石油化工等領(lǐng)域?qū)嶋H應(yīng)用的廣闊前景。

這項(xiàng)研究的成果，不僅是沸石材料科學(xué)領(lǐng)域的一次重大突破，更是我國(guó)基礎(chǔ)科研與應(yīng)用研究緊密結(jié)合的生動(dòng)范例。香港理工大學(xué)的容家富教授/林聰博士團(tuán)隊(duì)在本研究中發(fā)揮了重要作用，體現(xiàn)了香港特別行政區(qū)強(qiáng)大的科研力量，為國(guó)家科技發(fā)展貢獻(xiàn)了香港智慧和香港力量。未來(lái)，隨著技術(shù)的進(jìn)一步成熟和產(chǎn)業(yè)化發(fā)展，新型納米超大孔沸石將應(yīng)用于石油化工、精細(xì)化工等眾多領(lǐng)域，為我國(guó)乃至全球的能源轉(zhuǎn)型和可持續(xù)發(fā)展貢獻(xiàn)中國(guó)方案和中國(guó)力量。（王瑞）

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