沸石分子筛是一种微孔结晶材料，在化工、能源、环保等多个领域应用广泛。传统沸石分子筛的微孔尺寸小于2纳米，这一特性使其成为实现客体分子择型催化和吸附分离的关键，但是这些微小的孔隙同时也限制了其在处理更大尺寸大分子过程中的应用。因此，开发出具有更大孔径尺寸的沸石分子筛一直是该领域科学家们梦寐以求的目标，同时也是一项艰巨的挑战。通过酸碱刻蚀等后处理方式，可以将介孔（2-50纳米）或大孔（大于50纳米）引入沸石分子筛中，得到微孔、介孔和大孔复合的“多级孔”或“等级孔”分子筛材料，但这些后引入孔通常尺寸不均一，而且会对分子筛的结晶度、酸强度和结构稳定性产生削弱。前期，研究者通过引入表面活性剂或有机模板剂实现了含本征介孔的分子筛材料的成功合成，但这些材料均为非结晶组成或结构稳定性差，无法满足苛刻的实际工业生产条件要求。
近日，青岛能源所Valentin Valtchev研究员和卢鹏副研究员带领的研究团队在新型沸石分子筛合成领域取得了突破性进展，将为化学工业领域中涉及大分子的处理过程和扩散限制过程提供更加广阔的应用。
研究团队设计并合成了一种双季磷阳离子作为有机结构导向剂和模版剂，利用结构导向和空间填充双重作用，首次实现了本征介孔与微孔在原子层面的完美连接，成功制备出了一种新型硅酸盐沸石分子筛ZMQ-1（Zeolitic Materials, Qingdao Institute of Bioenergy and Bioprocess Technology, No.1；青岛能源所分子筛材料1号）。研究团队与斯德哥尔摩大学邹晓冬教授合作，结合先进的三维旋转电子衍射电镜技术、X射线粉末衍射、积分差分相位衬度成像透射电镜以及固体核磁共振技术，成功解析了该分子筛的复杂结构。ZMQ-1拥有由28×10×10元环构成的三维孔道系统（图1），其中28元环的尺寸达到了22.32 × 11.84 Å，这一尺寸已迈入介孔范畴。更为重要的是，该沸石分子筛具有高的热稳定性和水热稳定性，且分子筛骨架硅铝比可调。因此，ZMQ-1沸石分子筛是目前已知的首例通过全合成方法制备的结构稳定的本征介孔硅铝酸盐沸石分子筛。
图1 ZMQ-1沸石分子筛的结构和iDPC-STEM图像
此外，ZMQ-1分子筛具有高的热和水热稳定性、丰富的中强B酸位点。在重油催化裂化反应中，与商业化沸石分子筛催化剂相比，含磷ZMQ-1沸石分子筛表现出对轻质燃料（汽油和柴油）较高的选择性，并且产生的焦炭、液化石油气和干气等产物也较少（图2）。这一新型沸石分子筛的成功制备，为分子筛材料领域的发展提供了新的思路和方向。其独特的介孔结构和稳定的化学性质有望在大尺寸分子催化转化和吸附分离工业应用中发挥重要作用。
图2 ZMQ-1与商业化沸石分子筛上的重油催化裂化反应结果
研究成果以“A stable zeolite with atomically ordered and interconnected mesopore channel”为题在线发表在国际顶级期刊Nature上，卢鹏、孙奕晴和斯德哥尔摩大学徐姣艳为共同第一作者，Valentin Valtchev和卢鹏为论文通讯作者。该工作获得青岛能源所启动基金、青岛能源所国际合作基金、国家自然科学基金等项目的支持。
