文章导读
你是否以为分子筛的传输瓶颈只在于孔道内部的狭窄，而忽略了表面那层看不见的“隐形墙”？当晶体缩小到纳米尺度，90% 的研究者仍在死磕内部结构优化，却不知真正的“交通拥堵”恰恰发生在表面吸附的瞬间。清华大学魏飞、陈晓团队通过原子级成像发现，看似不起眼的表面纳米凹陷，竟是打破这一僵局的关键钥匙。它如何像“碗状陷阱”一样精准捕获分子并瞬间疏通路径？这个颠覆传统认知的微观机制，或许正是你设计高效催化材料时一直缺失的那块拼图。
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在多孔材料催化与分离领域，分子传输效率直接影响材料的反应性能和应用潜力，其中表面扩散是限制整体传质效率的关键因素，特别是在晶体尺寸缩小到纳米尺度后，表面效应进一步增强，从而引发局域富集、传输变慢等现象，最终影响催化与分离效率。如何在纳米甚至原子尺度上解析表面结构与分子传输行为的关联，并进一步提出有效的结构调控策略，是这一领域的重要科学问题。
近日，清华大学化工系魏飞教授、陈晓副研究员团队以ZSM-5分子筛为研究对象，围绕表面扩散限制这一关键问题，结合原位低剂量成像（iDPC-STEM）和多尺度分子动力学模拟，系统揭示了表面纳米凹陷结构对分子传输行为的调控机制，为多孔材料界面结构设计提供了新的研究思路。
研究发现，苯分子在吸附和脱附过程中会在ZSM-5晶体边缘形成明显的局域富集，表现出类似“分子交通拥堵”的现象。这表明，显著的表面扩散势垒会阻碍分子从外界进入分子筛孔道，也会延缓其从晶体内部释放到外部环境。相比之下，在晶体表面引入纳米凹陷结构后，苯分子在ZSM-5中的分布明显更加均匀，吸附与释放过程也明显加快，说明表面纳米凹陷能够有效缓解表面扩散限制，提升分子交换效率。
可视化纳米凹陷表面打破分子筛表面扩散限制示意图
研究团队结合原子尺度成像和理论模拟揭示了其中的微观机制。纳米凹陷侧壁能够形成额外开放的孔口，为分子进出晶体提供更多有效路径。与此同时，凹陷所带来的局域限域环境会增加分子在表面的停留时间，使其更容易被孔口捕获并进入孔道。凹陷侧壁上的“碗状”开孔结构有助于稳定苯分子在孔口附近的吸附状态，从而进一步促进表面渗透过程。实验结果与分子动力学模拟相互印证，表明纳米凹陷工程可以显著提高表面渗透能力，并缓解由表面势垒引起的分子传输瓶颈。
这一研究首次在亚纳米尺度上直接建立了分子筛局域表面结构与传质性能之间的联系，提出了通过表面结构工程调控表面扩散势垒的新思路。相关成果不仅深化了对纳米多孔材料表面传质机制的认识，也为设计高效催化和分离材料提供了新的方法学支撑。
研究成果以“可视化纳米凹陷表面打破分子筛表面扩散限制”（Imaging of Nano-Concave Surface Overcoming the Surface Diffusion Barrier in Zeolites）为题，于北京时间4月17日发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。
清华大学化工系副研究员陈晓为论文通讯作者，清华大学化工系2023届博士毕业生王挥遒、厦门大学副教授高铭滨为论文共同第一作者。论文共同作者包括清华大学化工系教授魏飞、骞伟中，副研究员崔超婕，2021级博士生赵鸣宇。研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金项目、中央高校青年教师科研创新能力支持项目、何享健青年科学家项目、鄂尔多斯实验室项目的支持。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.6c03352
供稿：化工系
编辑：李华山
审核：郭玲
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