清華新聞網(wǎng)4月21日電 在多孔材料催化與分離領(lǐng)域，分子傳輸效率直接影響材料的反應(yīng)性能和應(yīng)用潛力，其中表面擴(kuò)散是限制整體傳質(zhì)效率的關(guān)鍵因素，特別是在晶體尺寸縮小到納米尺度后，表面效應(yīng)進(jìn)一步增強(qiáng)，從而引發(fā)局域富集、傳輸變慢等現(xiàn)象，最終影響催化與分離效率。如何在納米甚至原子尺度上解析表面結(jié)構(gòu)與分子傳輸行為的關(guān)聯(lián)，并進(jìn)一步提出有效的結(jié)構(gòu)調(diào)控策略，是這一領(lǐng)域的重要科學(xué)問(wèn)題。
近日，清華大學(xué)化工系魏飛教授、陳曉副研究員團(tuán)隊(duì)以ZSM-5分子篩為研究對(duì)象，圍繞表面擴(kuò)散限制這一關(guān)鍵問(wèn)題，結(jié)合原位低劑量成像（iDPC-STEM）和多尺度分子動(dòng)力學(xué)模擬，系統(tǒng)揭示了表面納米凹陷結(jié)構(gòu)對(duì)分子傳輸行為的調(diào)控機(jī)制，為多孔材料界面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供了新的研究思路。
研究發(fā)現(xiàn)，苯分子在吸附和脫附過(guò)程中會(huì)在ZSM-5晶體邊緣形成明顯的局域富集，表現(xiàn)出類(lèi)似“分子交通擁堵”的現(xiàn)象。這表明，顯著的表面擴(kuò)散勢(shì)壘會(huì)阻礙分子從外界進(jìn)入分子篩孔道，也會(huì)延緩其從晶體內(nèi)部釋放到外部環(huán)境。相比之下，在晶體表面引入納米凹陷結(jié)構(gòu)后，苯分子在ZSM-5中的分布明顯更加均勻，吸附與釋放過(guò)程也明顯加快，說(shuō)明表面納米凹陷能夠有效緩解表面擴(kuò)散限制，提升分子交換效率。
可視化納米凹陷表面打破分子篩表面擴(kuò)散限制示意圖
研究團(tuán)隊(duì)結(jié)合原子尺度成像和理論模擬揭示了其中的微觀(guān)機(jī)制。納米凹陷側(cè)壁能夠形成額外開(kāi)放的孔口，為分子進(jìn)出晶體提供更多有效路徑。與此同時(shí)，凹陷所帶來(lái)的局域限域環(huán)境會(huì)增加分子在表面的停留時(shí)間，使其更容易被孔口捕獲并進(jìn)入孔道。凹陷側(cè)壁上的“碗狀”開(kāi)孔結(jié)構(gòu)有助于穩(wěn)定苯分子在孔口附近的吸附狀態(tài)，從而進(jìn)一步促進(jìn)表面滲透過(guò)程。實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分子動(dòng)力學(xué)模擬相互印證，表明納米凹陷工程可以顯著提高表面滲透能力，并緩解由表面勢(shì)壘引起的分子傳輸瓶頸。
這一研究首次在亞納米尺度上直接建立了分子篩局域表面結(jié)構(gòu)與傳質(zhì)性能之間的聯(lián)系，提出了通過(guò)表面結(jié)構(gòu)工程調(diào)控表面擴(kuò)散勢(shì)壘的新思路。相關(guān)成果不僅深化了對(duì)納米多孔材料表面?zhèn)髻|(zhì)機(jī)制的認(rèn)識(shí)，也為設(shè)計(jì)高效催化和分離材料提供了新的方法學(xué)支撐。
研究成果以“可視化納米凹陷表面打破分子篩表面擴(kuò)散限制”（Imaging of Nano-Concave Surface Overcoming the Surface Diffusion Barrier in Zeolites）為題，于北京時(shí)間4月17日發(fā)表于《美國(guó)化學(xué)會(huì)志》（Journal of the American Chemical Society）。
清華大學(xué)化工系副研究員陳曉為論文通訊作者，清華大學(xué)化工系2023屆博士畢業(yè)生王揮遒、廈門(mén)大學(xué)副教授高銘濱為論文共同第一作者。論文共同作者包括清華大學(xué)化工系教授魏飛、騫偉中，副研究員崔超婕，2021級(jí)博士生趙鳴宇。研究得到國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目、中央高校青年教師科研創(chuàng)新能力支持項(xiàng)目、何享健青年科學(xué)家項(xiàng)目、鄂爾多斯實(shí)驗(yàn)室項(xiàng)目的支持。
論文鏈接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c03352
供稿：化工系
編輯：李華山
審核：郭玲
