沸石分子筛基催化剂作为重要的工业催化剂，广泛应用于石油化工、煤化工、环境保护等领域。其通常由“沸石组元”（如ZSM-5分子筛）和“非沸石组元”（如二氧化硅、氧化铝、无定形铝硅酸盐、粘土等）共同构成。在聚烯烃催化裂解、重油催化裂化等大分子裂解反应中，这两类组元通过协同作用共同决定了催化剂的扩散与反应性能。然而，目前大多数研究工作主要集中在单一沸石或非沸石组元的扩散行为研究上，对于沸石组元与非沸石组元间的裂解中间产物扩散迁移及其与裂解反应性能的关系研究鲜有报道。
为此，阎子峰教授团队构建了以ZSM-5为沸石组元，以介孔二氧化硅（SiO₂）为非沸石组元，且组元间孔道匹配联通性精准可控的一系列催化裂解模型催化剂，系统地研究了工业催化剂中沸石和非沸石组元界面间的孔道匹配联通性与扩散-反应动力学之间的构效关系，以更好地确保反应中间产物在两者之间更好地扩散和迁移。团队运用跨尺度研究方法，采用超极化129Xe（HP129Xe）和二维交换光谱NMR（2D EXSY NMR）证实了沸石组分（ZSM-5）和非沸石组分（meso-SiO2）之间独特的孔道连通性和扩散行为，并通过智能重量分析（IGA）和时间分辨原位傅里叶变换红外光谱（time-resolved in situ FTIR）研究了模型多组元催化剂的整体扩散和沸石部分扩散行为。
研究发现，当沸石和非沸石组元间具有良好的微介孔道取向时，非沸石组元中的介孔具有显著的“漏斗效应”，可以加速分子在组元间界面的扩散，从而提高沸石组分的利用效率，证明了沸石组元与非沸石组元之间孔道的匹配联通性在中间产物扩散迁移方面的关键作用。研究还分析了多组元界面处孔道匹配联通性能对工业分子筛催化剂宏观扩散与催化效率的机制，指出在工业多组元催化剂环境下，仅在沸石中引入多级孔结构并不能充分提高扩散和催化剂效率，其扩散性质主要取决于组元间孔道系统的匹配连通性。对于工业多组元催化剂的设计，应该更多地关注在组元间构建高度连通的等级孔系统及其界面性质的控制。研究建立了组元间孔道匹配连通性、中间产物扩散性质与催化裂解反应动力学性能之间的定量构效关系，为以催化裂化催化剂为代表的大分子工业催化剂的理性设计提供了理论指导。
相关成果以“Revealing the Crucial Roles of Pore Interconnectivity Between Zeolitic and Non-Zeolitic Components in Enhancing Diffusion and Catalytic Efficiency of Industrial Zeolite-Based Catalysts”为题，发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。我校博士研究生徐亦璞为论文第一作者，武汉科技大学彭鹏副教授、中国石油大学（华东）阎子峰教授、中国科学院大连化学物理研究所徐舒涛研究员为共同通讯作者，中国石油大学（华东）为第一署名单位。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、重质油全国重点实验室开放课题等项目的资助。
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/full/10.1021/jacs.5c00214
