胶体纳米粒子植入单晶沸石用于脱水反应催化

沸石分子筛杂化材料（Zeolites hybrid materials），将功能性客体物种与微孔铝硅酸盐晶体框架相结合，因其广泛的应用范围而受到不断的关注。这些应用从传统的吸附和分离，延伸至新兴领域，如光学、电子学、磁性以及生物医学等。而在现有的沸石杂化材料中，沸石分子筛晶体只能将金属单位点和金属或金属氧化物团簇颗粒进行封装。而具有更多丰富功能的胶体纳米颗粒（直径大于100纳米）与沸石的复合是难以实现的。鉴于此，复旦大学赵东元院士/李伟教授团队和上海石油化工研究院杨为民院士团队合作，提出了一种在限域空间内的梯度晶化的策略，构筑了一种具有新型结构的沸石杂化材料。

图1. 磁性单晶沸石分子筛的物化性质表征。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

核壳结构的创新设计

研究中成功实现了将Fe₃O₄胶体纳米粒子作为核心，植入到单晶ZSM-5沸石中，形成了具有磁性核和单晶沸石壳层的核壳结构材料。这种结构设计不仅增强了材料的磁性能，还保持了沸石的高比表面积和酸性特性，为催化反应提供了新的平台。

图2. 限域-梯度晶化策略合成磁性单晶沸石分子筛形成机理。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

限域-梯度晶化构筑磁性沸石的机制

通过精心设计的分步结晶过程，研究团队在限域的纳米空腔中引导沸石种子的成核和生长，最终实现了单晶沸石壳层在精确定义的体积（1.5 × 10⁷ ≤ V ≤ 1.3 × 10⁸ nm³）内沿着Fe₃O₄胶体纳米颗粒表面均匀生长。此方法同样适用于其他功能性的核（CoFe₂O₄, Bi₂Mo₃O₁₂）和不同拓扑结构沸石壳层（LTA，MEL）的沸石杂化材料的合成。这种方法的提出，为制备具有特定结构和性能的沸石基复合材料提供了新的途径。

图3. 磁性单晶沸石分子在磁稳定床中催化乙醇脱水应用研究。图片来源：Angew. Chem. Int. Ed.

磁性稳定床反应器中的高效催化性能

所开发的磁性核单晶沸石材料在磁性稳定床（MSB）反应器中展现出卓越的催化性能，特别是在乙醇脱水制备乙烯的反应中，实现了98%的转化率和98%的乙烯选择性，同时具备超过100小时的催化稳定性。这一成果不仅展示了新材料在工业催化过程中的潜力，也为改进传统催化反应器技术提供了新思路。

这一成果近期发表在Angew. Chem. Int. Ed.上，复旦大学博士后马冰（现任华东师范大学副研究员）及复旦大学博士段林林（现任上海师范大学师资博士后）及内蒙古大学研究员马玉柱为共同第一作者，通讯作者为赵东元院士、杨为民院士和李伟教授。该研究工作得到了国家自然科学基金、科技部重点研发、上海市科委及复旦大学的资助。

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Implanting colloidal nanoparticles into single-crystalline zeolites for Catalytic Dehydration

Bing Ma, Linlin Duan, Yuzhu Ma, Fanxing Bu, Kun Lan, Tiancong Zhao, Liang Chen, Lianhai Zu, Liang Peng, Zaiwang Zhao, Jun Xu, Siqing Zhong, Dhaifallah M. Aldhayan, Abdullah M. Al-Enizi, Ahmed Elzatahry, Wei Li, Weimin Yang, Dongyuan Zhao

Angew. Chem. Int. Ed., 2024, DOI: 10.1002/anie.202403245