近日，大连化物所低碳催化与工程研究部（DNL12）叶茂研究员、刘中民院士团队联合福州大学鲍晓军教授、朱海波教授团队在分子筛纳米孔道传递领域取得重要进展。
大量工业催化研究与实践表明，分子筛限域纳米孔道能够精准调控客体分子的扩散与迁移动力学，从而有效提高催化剂的活性、选择性与稳定性。深刻理解并定量描述分子筛孔道内客体分子的限域传递与反应耦合过程，是工业分子筛催化剂设计和优化的关键。
传统的理论计算方法，例如密度泛函理论或分子动力学模拟，仅能够模拟有限局域空间内客体分子的限域传递过程，难以反映催化剂载体的尺寸效应。针对分子筛催化剂，创新性地建立限域纳米孔道传递与反应耦合的理论模型，不仅能够精准描述纳米孔道中客体分子的传递与反应动态历程，还能够揭示宏观分子筛载体性质对催化反应性能的影响机制。然而，构建这一理论模型需要对客体分子限域传递过程进行精确表征，这是当前研究的关键瓶颈。
近年来，叶茂和刘中民团队发展了一系列具有高时空分辨率的分子筛纳米孔道内客体传质与传热的原位表征技术 (Nat. Commun.，2020；Angew. Chem. Int. Ed.，2022；ACS Catal.，2023；J. Am. Chem. Soc.，2024)；在理解限域分子与热量传递机制的基础上，建立了具有一定普适性的纳米孔道“传递-反应”耦合模型（Nat. Commun.，2021；AIChE J.，2022；J. Am. Chem. Soc.，2025）。
基于长期在限域纳米孔道传递与反应耦合模型的研究基础，本工作中，叶茂和刘中民团队创新性地建立了分子筛尺度下金属团簇限域迁移-团聚理论模型：通过第一性原理模拟获得了分子筛纳米孔道中金属团簇的迁移与团聚动力学，结合分子筛限域“传递-反应”理论模型框架，首次建立了分子筛限域纳米孔道内金属团簇的迁移与团聚模型。该模型可揭示分子筛微区纳米孔道内金属团簇迁移与团聚的动态历程，定量描述分子筛尺寸对金属团簇时空分布的影响。
进一步，叶茂和刘中民团队与鲍晓军和朱海波团队等合作，借助多种原位高时空分辨谱学表征技术，证明了该模型的可靠性。研究发现，分子筛载体尺寸是调控金属团簇“外表面团聚”（形成低活性的金属纳米颗粒）与“孔道内聚集”（形成高活性的金属亚纳米团簇）两种竞争机制的关键。此外，合作团队通过调控Silicate-1(S-1)分子筛载体的b轴长度发现，当S-1载体b轴长度大于2 μm时，迁移路径的延长迫使Pt物种在分子筛孔道内定向发生“孔道内聚集”并形成亚纳米Pt团簇，实现了将其锁定于纳米孔道中，有效避免了Pt物种形成团聚导致的催化剂不可逆失活。基于这一发现，合作团队提出通过增加分子筛载体尺寸实现Pt物种的“扩散-聚集-自锁”机制，创制出具有超高稳定性的丙烷脱氢Pt-Sn@MFI催化剂。
本工作首次实现了分子筛尺度下金属团簇迁移与团聚历程的定量描述，为通过准确调变分子筛载体性质来精准调控限域金属团簇迁移-团聚过程提供了重要理论基础。
相关成果以“Pt migration-lockup in zeolite for stable propane dehydrogenation catalyst”为题，于近日发表在《自然》（Nature）上。该成果的共同第一作者为福州大学已毕业博士徐志康、大连化物所已毕业博士高铭滨、中国科学院上海应用物理研究所已毕业博士韦尧。该项研究工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划等项目的资助。
