“眼下，我們正在籌備一家專注于超大孔沸石大規模合成的公司。”香港理工大學教授勞子桓告訴 DeepTech。這家新公司所使用的技術，基于他和合作者于近期發表在Science的一篇論文。

圖 | 勞子桓（來源：勞子桓）

在這篇論文之中，他們成功開發了一種能夠精確定位 H-ZSM-5 沸石中鋁（Al）原子的技術，并實現了單鋁分布和鋁對分布的精確測定。

通過結合共振軟 X 射線衍射（RSXRD，Resonant Soft X - ray Diffraction）和分子吸附技術，研究團隊首次直接表征了鋁對的存在及其與氨分子的相互作用。

審稿人認為研究團隊解決了一個長期存在的科學問題——沸石中鋁位置測定，并首次直接證實了鋁對的存在。其認為，本研究不僅提供了鋁位置測定的新方法，還為沸石催化劑的精確設計和優化奠定了重要基礎。

這些成果為理解沸石的催化活性、分子吸附幾何形狀以及反應機制提供了新的視角，為沸石催化劑的精確設計和優化提供了新的理論基礎和技術手段，對理解沸石的催化機制、分子吸附行為以及反應選擇性具有重要的科學意義。

（來源：Science）

為沸石催化劑的精確設計和優化提供了強有力工具

具體來說，本次研究成果包括以下幾個方面：

其一，實現了鋁原子的精確定位。研究團隊利用 RSXRD 技術結合分子吸附實驗，首次精確確定了 H-ZSM-5 沸石中“單個鋁”和“鋁對”的位置。研究發現，鋁主要分布在三個四面體（T）位點：T8 位于直通道中，T6 位于交叉通道的空隙中，T4 位于正弦通道中。這一發現為沸石中鋁的分布規律提供了清晰的晶體學證據。

其二，實現了鋁對的發現。通過晶體學方法，研究團隊首次直接證實了 H-ZSM-5 沸石中存在“鋁對”（即兩個鋁原子在空間上靠近形成 Al-O-Si-O-Al 結構）。鋁對的存在對分子吸附和催化反應具有重要影響，尤其是在雙分子反應中表現出顯著的協同效應。

其三，揭示了分子吸附行為。通過氨（NH?）吸附實驗，研究團隊發現 NH? 在 H-ZSM-5 沸石中的吸附行為與鋁的位置密切相關。單個鋁位點上會發生孤立吸附，而鋁對上則發生橋接吸附。這種吸附行為的差異直接影響了沸石的催化活性和選擇性。

其四，實現了新技術的開發與應用。研究團隊開發了一種多能量 RSXRD 技術，結合分子吸附實驗能夠直接解析沸石中鋁原子的位置及其與吸附分子的相互作用。這一技術為沸石催化劑的精確設計和優化提供了強有力的工具。

其五，實現了理論計算的驗證與支持。通過密度泛函理論（DFT，Density Functional Theory）計算，研究團隊驗證了實驗觀察到的 NH? 吸附行為，并進一步解釋了不同鋁位點上 NH? 吸附的化學位移差異。理論計算與實驗結果高度吻合，這為此次發現提供了堅實的理論支持。

通過精準定位鋁原子，能夠更好地設計和優化沸石催化劑，提高其在石油精煉和化工反應中的轉化率和選擇性。同時，通過合理改進催化劑將有效減少工業過程中的碳排放，促進更清潔更高效的催化反應，幫助實現可持續發展目標。

（來源：Science）

聯合英國鉆石光源改造實驗裝置

據介紹，這項研究始于 2014 年勞子桓在英國牛津大學讀博期間。當時，他和所在團隊對于沸石中鋁的分布以及反應底物的三維立體特異性吸附化學產生了濃厚興趣，因為這與許多催化反應（比如甲醇升級和烴類裂解中的催化性能）密切相關。

在初期研究中，他們使用了一系列探針分子（比如吡啶、甲醇和氨），來間接地探測 H-ZSM-5 沸石中的相關化學特性。這些工作為后續與不同催化反應相關的沸石化學研究奠定了基礎。

與此同時，盡管他們取得了一定進展，沸石化學中仍有許多關鍵問題尚未解決，這主要是由于缺乏合適的表征方法。雖然直接確定沸石中鋁的晶體學位置、濃度和分布極具挑戰性，但是對推動該領域的發展至關重要。

此前，粉末 X 射線衍射（PXRD，Powder X-ray Diffraction）和固態核磁共振（NMR，Solid-State Nuclear Magnetic Resonance）研究已經證實骨架鋁位點是非隨機分布的，但是由于鋁和硅的散射因子幾乎相同，導致傳統的表征技術受限于分辨率與三維縱深分辨能力。

為此，在本次研究之中，研究團隊通過結合探針輔助技術和共振軟 X 射線粉末衍射來解決這些問題，并在鋁和硅的 K 邊能量以下收集了衍射數據。

期間的主要難點在于：在如此低的軟 X 射線能量下進行衍射測量，就必須在超高真空條件下進行，而大多數軟 X 射線光束線并非專門為粉末 X 射線衍射設計。

為了克服這些困難，研究團隊與歐洲領先的同步加速器實驗室英國鉆石光源（Diamond Light Source）I10 光束線團隊開展了密切合作，針對實驗裝置進行了改造，這讓本次研究得以順利完成。

（來源：Science）

最終，相關論文以《H-ZSM-5 分子篩中鋁單位和雙位點的原子位置和吸附劑相互作用》（Atomic locations and adsorbate interactions of Al single and pair sites in H-ZSM-5 zeolite）為題發在Science[1]。

香港理工大學助理教授李光超是第一作者，英國牛津大學教授曾適之、中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員鄧風和香港理工大學副教授勞子桓擔任共同通訊作者。

圖 | 相關論文（來源：Science）

將開發新型交叉偶聯反應

基于本次研究的成果，研究團隊計劃進一步拓展工作，探索更多的基礎化學問題。例如，如何在沸石合成過程中控制鋁的位置和分布，以及如何通過原子級工程手段將沸石應用于有機轉化反應中。目前，研究團隊正在準備一些關于脫硝交叉偶聯反應的工作。

目前，聚焦于硝基芳烴與多種偶聯伙伴的脫硝交叉偶聯反應，他們已經成功實現了高效的 C-C 和 C-X（X = N、O、P、S 和 Se）鍵形成。同時，他們還利用同一分子篩負載雙原子催化劑拓展了超過 120 種偶聯伙伴，其對芳烴取代基的顯著耐受性超越了當前最先進水平，代表了該領域的尖端進展，預計將為藥物和精細化學品的可持續生產提供重要支持。

將開發新型超大孔沸石

如前所述，研究團隊正在籌備公司。談及做產業化的原因，勞子桓表示，沸石以其結晶微孔結構和可控的酸性中心而聞名，這些特性對于尺寸和形狀選擇性催化至關重要。然而，傳統沸石的孔徑通常小于 8?，這限制了其有效處理大分子的能力，并對進一步工業應用提出了重大挑戰。分子進出沸石內部空間的傳輸（吸附和反應發生的地方）是其功能的關鍵。這一限制凸顯了對更大孔徑沸石的迫切需求，也推動了他們對于新型超大孔沸石開發的顯著興趣。

超大孔沸石因其擴大的孔徑而具有優異的傳質特性，從而提高了穩定性和轉化效率，這一點在涉及長鏈烴類的催化裂化反應中尤為明顯，這些長鏈烴類通常價值較低且應用有限，例如用作潤滑油或重質燃料。

然而，目前由于無法實現公斤級或噸級生產，其商業探索和應用受到了嚴重限制。預計研究團隊的公司將直接解決這一問題，填補這一重要領域的關鍵空白。

勞子桓表示，香港理工大學最近在廣東惠州成立了研究創新研究院，專注于發展綠色催化和可持續化學。他和團隊將利用這一戰略平臺，將他們在沸石領域的專業知識轉化為實際應用。“目前，多家全球大型企業（如埃克森美孚和中海殼牌）已表示有興趣與我們團隊合作。因此，我們對于未來充滿信心。”勞子桓表示。

參考資料：

1.Guangchao Li et al. Atomic locations and adsorbate interactions of Al single and pair sites in H-ZSM-5 zeolite.Science387, 6732, 388-393(2025). DOI: 10.1126/science.adq6644

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