摘要：沸石是一类重要的异相酸催化剂，广泛应用于石油精炼、精细化学品生产等领域。与传统的催化材料相比，沸石具有结构坚固、孔道分布明确等优点，其框架由四配位的硅（Si）和铝（Al）原子构成，能够形成具有独特催化性能的通道体系。沸石的催化性能与其铝原子的分布密切相关，尤其

沸石是一类重要的异相酸催化剂，广泛应用于石油精炼、精细化学品生产等领域。与传统的催化材料相比，沸石具有结构坚固、孔道分布明确等优点，其框架由四配位的硅（Si）和铝（Al）原子构成，能够形成具有独特催化性能的通道体系。沸石的催化性能与其铝原子的分布密切相关，尤其是铝对的存在被认为在多种催化反应中起着重要作用。

然而，沸石铝原子的分布和组织依旧是研究的难题，尤其是在富硅沸石中，铝的分布模式会影响其催化性能，特别是在酸性和氧化还原反应中。尽管富铝沸石（Si/Al

成果简介

鉴于此，捷克J. Heyrovsky 研究所Kinga Mlekodaj/ Przemyslaw Rzepka课题组和苏黎世联邦理工学院Jeroen A. van Bokhoven等人合作在Science期刊上发表了题为“Aluminum distribution and active site locations in the structures of zeolite ZSM-5 catalysts”的最新论文。

该团队通过设计和合成新型的富铝沸石材料，并结合异常X射线粉末衍射（AXRPD）和核磁共振成像（NMR）技术，精确地解析了ZSM-5沸石中铝原子的分布情况。

他们发现，铝对（Al对）的存在对于催化性能具有至关重要的影响，特别是在丙烯低聚反应中，富铝对的ZSM-5表现出了显著的催化活性。这一研究通过定量分析铝原子的分布，揭示了铝对的存在有助于催化剂的快速质子化动力学，促进产物的释放和活性中心的再生，从而提高了催化性能。

该团队利用AXRPD在铝K边进行分析，成功量化了铝原子的长程有序性，并精确测定了孤立铝原子和铝对的分布。此外，研究还结合NMR技术，进一步确认了铝对的具体位置及其在催化反应中的作用机制。这些研究结果为优化沸石催化剂的设计提供了重要的理论依据，并为其在工业催化中的应用开辟了新的方向。

研究亮点1. 实验首次利用异常X射线粉末衍射（AXRPD）与核磁共振成像（NMR）相结合，精确确定了ZSM-5沸石中铝原子的分布。通过对ZSM-5沸石框架中铝原子的长程有序性进行量化，研究揭示了孤立铝原子与铝对（Al(-O-Si-O-)2Al）在框架中的位置。这些铝对的分布与ZSM-5的催化性能，特别是在丙烯低聚反应中的优异表现密切相关。2. 实验通过AXRPD确定了铝对在ZSM-5结构中的分布并与催化性能相关联。在富铝对的ZSM-5样品中，铝对的存在加速了丙烯的质子化过程，从而促进了产物的释放和活性中心的再生。研究表明，铝对的存在有助于提高催化反应速率，并改善丙烯低聚的选择性。3. 实验还通过核磁共振成像和AXRPD研究了铝对的结构特征，揭示了不同类型的铝对（α、β和γ位点）在ZSM-5中的位置和分布。铝对在不同的位点（如直通道壁和弯曲通道）中分布不同，且其位置决定了催化反应的选择性和反应机制。4. 研究进一步发现铝对在乙醇转化反应中的作用，富铝对ZSM-5促进了解离反应路径，而富孤立铝原子的ZSM-5则促进了加成反应路径。这一发现有助于更好地理解铝原子在酸碱催化反应中的具体作用。图文解读

图1. ZSM-5结构模型的结构因子。

图2. LAP-ZSM-5框架结构中T位点的铝分布。

图3. HAP-ZSM-5框架结构中T位点的铝分布。

图4. 铝的配位情况。

结论展望

本文通过结合AXRPD和FTIR等技术，研究揭示了铝对的存在在ZSM-5沸石催化剂中起到了关键作用，特别是在丙烯低聚反应中的催化效率。富铝对的ZSM-5样品表现出更快的质子化动力学和更高的产物生成速率，显示出铝对在促进产物释放和活性中心再生中的重要性。

此外，传统的光谱学方法由于局限性往往难以准确确定铝原子的晶体学位置，而AXRPD技术能够提供铝分布的长程有序性定量信息，为优化沸石催化剂的性能提供了新的思路。未来，进一步利用这一技术结合不同的催化反应研究，将有助于设计出具有更高效率和选择性的下一代沸石催化材料，推动石油精炼和精细化学品生产中的催化过程优化。

文献信息

Przemyslaw Rzepka et al. ,Aluminum distribution and active site locations in the structures of zeolite ZSM-5 catalysts.Science388,423-428(2025).DOI:10.1126/science.ads7290

来源：朱老师讲VASP