沸石纳米孔模型将晶体尺寸与金属簇迁移和催化剂性能联系起来

广泛的工业催化应用表明，沸石的受限纳米通道可以精确调节分子扩散和金属簇迁移，有效提高催化剂的活性、选择性和稳定性。

深入理解和定量描述受限“运输和反应”过程之间的耦合对于设计和优化工业沸石催化剂至关重要。然而，构建这样一个理论模型是一个重大挑战，主要是由于难以精确表征和描述这些受限的输运现象。

为了应对这一挑战，由中国科学院大连化学物理研究所（DICP）的刘忠民教授和叶茂教授领导的一个研究小组与福州大学的鲍晓军教授和朱海波教授合作，提出了一个描述单个沸石中受限金属团簇迁移-聚集行为的理论模型。

这项研究发表在《自然》杂志上。

使用先进的第一性原理模拟，研究人员研究了硅酸盐-1（S-1）纳米孔内金属簇的迁移和聚集动力学。这项工作首次建立了一个理论模型，专门描述了沸石纳米孔内金属簇的迁移-聚集过程。

该模型揭示了S-1微区内金属团簇的动态行为，并定量描述了S-1的晶体尺寸如何影响这些团簇的空间和时间分布。通过各种原位高空间分辨率光谱特征验证了该模型的可靠性。

使用该模型，研究人员发现S-1的晶体尺寸在调节两种竞争机制中起着关键作用：金属簇的表面聚集，导致低活性金属纳米颗粒的形成，以及纳米孔内的聚集，导致高活性亚纳米金属簇的形成。

此外，研究人员发现，当S-1的b轴长度超过2μm时，扩展的迁移路径会促使Pt物种在孔隙内聚集，形成亚纳米Pt团簇。这些簇有效地锁定在纳米孔内，从而防止不可逆的催化剂失活。

基于这一机制，研究人员提出了一种通过增加S-1晶体尺寸来实现Pt物种“迁移聚集自锁”的策略。这种方法能够创建超稳定的Pt-Sn@MFI丙烷脱氢催化剂。

“我们的研究定量描述了单个沸石中的金属簇迁移和聚集，为通过调节沸石载体性能精确调节受限金属簇迁移聚集提供了重要的理论基础，”叶教授说