论文标题：New approaches to vibrational spectroscopy of zeolite catalysts: a perspective

期刊：Frontiers of Chemical Science and Engineering

作者：Russell F Howe

发表时间：15 Nov 2024

DOI： 10.1007/s11705-024-2474-5

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沸石催化剂作为石油炼制、化工合成及环保领域的关键材料，其催化机理研究长期依赖传统的红外光谱技术，但是该技术受限于沸石晶格振动干扰、定量分析困难、样品需求量大（≥10 mg）及谱峰重叠等问题，难以捕捉反应动态细节与微观结构异质性。

英国阿伯丁大学Russell F. Howe教授在《化学科学与工程前沿》（英文）发表观点&评论文章“New approaches to vibrational spectroscopy of zeolite catalysts: a perspective”（沸石催化剂振动光谱研究新方法：展望）系统评述了三种新兴技术—非弹性中子散射（INS）、红外显微光谱与二维红外光谱（2D-IR）的潜力与挑战。

INS通过中子与氢原子间的独特能量交换机制，直接探测含氢分子的全频段振动信号。由于沸石骨架中的硅、铝、氧等元素中子散射截面极小，INS可规避晶格振动干扰，精准分析吸附物种。例如，研究显示丙烯在HZSM-5沸石中从140 K的物理吸附逐步转化为氢键结合态（200–240 K），最终在240 K以上生成烷基链。INS还成功应用于深色结焦催化剂分析，揭示了甲醇制烃反应中积炭物种的变化。然而，INS需要5克以上样品和20 K低温条件，且依赖稀缺的中子源设施，难以实现原位实时观测。

(a) 脱水HZSM-5沸石在20 K下测得的INS光谱（黑色）、293 K时丙烯吸附在该沸石中的INS光谱（红色）以及固态丙烯的INS光谱（蓝色）；(b) 丙烯在140 K吸附于脱水HZSM-5中，然后依次升温至所示温度后，在20 K下测得的INS光谱

同步辐射红外显微光谱通过同步辐射光源的高亮度红外光束，实现了10微米级沸石单晶的原位反应监测。例如，在623 K下实时追踪ZSM-5单晶催化二甲醚转化的过程，发现甲基环戊烯阳离子和甲基芳烃的动态生成。该技术还可以通过扫描晶体表面绘制物种分布图，提升了反应动力学研究的时间分辨率，但受限于红外衍射极限，其空间分辨率无法满足亚微米级商用催化剂的需求。

二维红外光谱（2D-IR）通过飞秒激光激发振动耦合，可解析传统红外难以区分的重叠谱峰。例如，通过2D-IR揭示了ZSM-5中的硅醇缺陷，而同类沸石FER无此特征，表明制备工艺对催化剂性能的微观影响。2D-IR还可量化物种浓度，并通过温跃实验（T-jump）研究纳秒级热激活反应。然而，该技术设备昂贵且需要氘代处理适配激光频率，目前仅在少数实验室开展工作。

文章指出，尽管INS、红外显微光谱和2D-IR目前依赖大型科研设施，但其未来发展路径明确：INS可通过提升中子通量缩短检测时间，红外显微结合原子力显微镜（AFM-IR）可实现纳米级分析，2D-IR设备小型化与算法优化有望推动普及。这些技术的互补应用将深化对催化活性位点、反应路径的理解，为工业催化剂设计与优化提供原子级洞察。

引用信息

Russell F Howe. New approaches to vibrational spectroscopy of zeolite catalysts: a perspective. Front. Chem. Sci. Eng., 2024, 18(11): 123

本文来自

Special Issue—Catalysis for a sustainable future

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原文链接：

https://journal.hep.com.cn/fcse/EN/10.1007/s11705-024-2474-5

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