近日，我所低碳催化与工程研究部（DNL12）徐舒涛研究员、魏迎旭研究员和刘中民院士团队在甲醇制烯烃（MTO）工业SAPO-34催化剂酸性表征研究中取得新进展。团队定量解析了Brønsted酸质子在所有晶体学不等价氧位点的落位，并基于此揭示了温度驱动下的及客体分子诱导下的质子运动行为。
MTO技术的应用，使我国烯烃生产不再依赖于传统石油原料，可直接从煤炭原料转化得到，对保障我国能源战略安全具有重要意义。SAPO-34分子筛作为该工业过程的核心催化剂，目前对其活性中心Brønsted酸位点（BAS）的精确落位、数量分布和动态行为仍缺乏量化认识，原子尺度表征具有挑战性。
该团队近年在磷酸硅铝（SAPO，骨架原子：Al、Si、P、O和H）分子筛精细结构与构效关系研究方面取得系列进展：通过Al物种精细结构解析，揭示了SAPO分子筛中普遍存在的水吸附构效关系，包括BAS吸附、Al配位、骨架可逆和不可逆水解、毛细凝聚等（P. Natl. Acad. Sci. U. S. A.，2025）；利用空间分辨化学蚀刻结合多种表征技术，系统解析了SAPO-34分子筛中的多重耦合异质性及其对催化行为的调控机制（J. Am. Chem. Soc.，2026）等。
在本工作中，团队基于前期发现的SAPO分子筛29Si NMR对样品状态（例如是否带模板剂、H型样品是否吸水和暴露氧气等）十分敏感的特性，合成了29Si同位素富集的SAPO-34样品，提升了29Si NMR谱图的信噪比，明晰了其中的变化规律。团队围绕29Si-SAPO-34样品，利用17O MQ（氧交换）、29Si{27Al} S-RESPDOR（Si周围Al环境）、29Si{1H} REDOR（H-Si测距）、29Si{1H} J-HMQC （HO-Si化学成键信息）和激光加热高温29Si/1H（质子动力学）等多种二维 MAS NMR技术，结合中子衍射和理论计算，纠正了长期误用的SAPO-34的29Si NMR归属，证实脱水后-95.5 ppm信号为Si(4Al)的桥式羟基结构（即孤立BAS），而非传统归属的Si(3Al)物种；识别并定量了所有4种晶体学BAS位点，明确了两个四元环交汇处为优势分布位点；揭示了质子随温度变化的三阶段动力学，定量了质子交换速率，确定了质子交换的起始临界温度约为200℃；阐明了碱性分子与水分子诱导质子电离的差异化机制，明确了水簇尺寸的调控作用等。
相关研究成果以“NMR-Solved Proton Fine Locations Reveal the Dynamic Flexibility of Brønsted Acid Sites in the SAPO-34 Molecular Sieve”为题，发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该工作的第一作者是我所DNL12博士后楼才溢特别研究助理。该成果得到国家自然科学基金、国际联合实验室、辽宁滨海实验室等项目资助。（文/图 楼才溢）
