文章导读
你以为分子筛催化剂的性能瓶颈只在活性位点？其实那个让大分子“堵车”的孔道结构才是真凶。清华团队这次没走老路，而是用一种特殊的固相离子交换策略，把锡原子精准“塞”进了单壁分子筛纳米管。结果惊人：这种新型材料在处理刚性大分子底物时，周转数直接碾压了传统微孔材料。这不仅是合成技术的突破，更暗示了低维材料在催化领域可能藏着一条颠覆传统认知的新路径——你确定还要死守那些受扩散限制的老旧方案吗？
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近日，清华大学化工系刘振东副教授课题组在低维分子筛功能化与催化应用研究方面取得重要进展。研究团队首次实现了锡（Sn）掺杂单壁分子筛纳米管（Sn-ZNT）的可控合成，并阐明其以框架Sn物种为主、路易斯酸性显著增强的结构特征，从而将该新型低维分子筛材料拓展为高效路易斯酸催化平台。
单壁分子筛纳米管兼具一维中空管状形貌与双层晶态分子筛壁，可精细调控分子扩散路径，在催化与分离过程中展现出广阔应用前景。然而，该低维分子筛体系目前仍主要局限于硅铝酸盐组成且硅铝比范围较窄，亟需通过组成拓展与酸性调控进一步释放其材料潜力。传统硅铝分子筛以骨架Al引入的Brønsted酸位为主，而以Sn、钛（Ti）、锆（Zr）等高价杂原子取代骨架四面体硅（Si）可构建Lewis酸中心。其中，框架Sn位点因能在温和、环境友好条件下高选择性催化含氧官能团转化而备受关注。但现有含锡分子筛多受微孔扩散限制，在刚性或大分子底物反应中有效利用率不足，因此发展兼具可调Sn配位环境与更高分子可及性的全新分子筛材料是分子筛合成与应用领域的重要方向。
该研究提出并实现了一种固相离子交换策略，利用酸性Sn前驱体在无溶剂条件下诱导单壁分子筛纳米管局部脱铝，并同步生成可供Sn取代的框架空位，从而在保持纳米管结构完整的前提下实现框架Sn物种的植入。多种表征结果表明，引入的Sn主要以部分水解的“开放位点”形式存在，从而有效强化了单壁分子筛纳米管的路易斯酸性。以Baeyer–Villiger氧化为探针反应，Sn-ZNT在刚性、体积较大的2-金刚烷酮氧化中表现出显著优势，在保持高选择性的同时，其周转数（TON）达到56，明显优于受微孔扩散限制的Sn-MFI，验证了“低维结构提升分子可及性”与“增强路易斯酸位点”协同带来的性能提升。与此同时，Sn-ZNT经多次反应–再生循环后仍能保持结构完整与催化活性，展现出良好的稳定性。
图1.锡（Sn）掺杂单壁分子筛纳米管（Sn-ZNT）的结构特征及其在Baeyer–Villiger氧化反应中的优异性能
图2.相关研究被选为杂志内封面（Supplementary Cover）
这一研究实现了单壁分子筛纳米管的锡掺杂功能化，并以路易斯酸催化反应验证了其性能优势与稳定性，进一步拓展了分子筛纳米管材料的组成可调性与催化应用边界。研究工作为面向目标反应的功能化低维分子筛材料精准构筑提供了可借鉴的合成策略，有望推动低维分子筛在高效分离与催化新过程等方向的应用。
研究成果以“锡掺杂单壁沸石纳米管的合成及其作为Lewis酸催化剂的应用”（Synthesis of Sn-Incorporated Single-Walled Zeolitic Nanotube as a Lewis Acidic Catalyst）为题，于4月29日发表于《美国化学会会志》（Journal of the American Chemical Society, JACS），收录于《美国化学会会志》建刊150周年集萃，并被选为当期内封面。
清华大学化工系2023级博士生颜维泓为论文第一作者，化工系副教授刘振东为论文通讯作者。研究得到国家自然科学基金、化学工程与低碳技术全国重点实验室、鄂尔多斯实验室的资助。
论文链接：
https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/jacs.5c23149
供稿：化工系
编辑：李华山
审核：郭玲
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