近日，中国科学院大学博士生导师、精密测量院徐君研究员和邓风研究员的研究团队在γ-Al₂O₃微观结构研究方面取得重要进展，利用35.2 T的超高强磁场，结合所发展的先进二维固体NMR谱学方法揭示了γ-Al₂O₃表面和体相中氧物种的结构及其空间关联。相关研究结果发表在国际期刊 《自然^.通讯》（Nature Communications）上。
　　γ-Al₂O₃是一种十分重要的催化剂和催化剂载体，目前被广泛应用于乙醇脱水、丙烷脱氢、异构化、烷基化和催化裂化等工业催化过程中。γ-Al₂O₃上氧原子的形态（如羟基或缺陷）和配位状态影响其局部环境和表面性质（酸碱性），进而影响其催化性能，因此对氧物种的表征是深入了解其结构和物理化学性质以及进行性能优化的基础。如今¹⁷O NMR谱学正逐渐成为表征氧化物材料的一种有效的手段，然而，¹⁷O NMR研究常常受到核四极相互作用（I = 5/2）、相对较低的旋磁比（γ = ？5.774 MHz T^？1）和极低的¹⁷O丰度（0.037%）等多重因素的制约。课题组在前期工作中曾利用动态核极化表面增强（DNP-SEN）NMR技术结合¹⁷O同位素富集方法在γ-Al₂O₃上获得了¹⁷O NMR信号的两个数量级的增强，实现了对其表面氧物种的直接观测（Phys. Chem. Chem. Phys. 2018, 20,17218）。尽管同位素富集能够一定程度上解决¹⁷O NMR观测灵敏度低的问题，然而对各种氧物种空间关联的NMR观测仍然是一个巨大的挑战，迄今尚未见报道。
　　固体NMR谱学的重要特点之一是能够利用射频脉冲技术操控特定原子核（nuclei-specific）从原子-分子尺度来探测核间的空间相关（through-space）或键连 (through-bond) 结构信息。在该研究工作中，课题组与美国国家强磁场实验室合作，借助于该实验室的稳态超高强磁场35.2 T（1.5 GHz）在提升NMR观测灵敏度和分辨率上的巨大优势，结合课题组前期自主开发的半整数四极核二维双量子（DQ-SQ）脉冲实验方法（J. Magn. Reson. 2009, 200, 251；Angew. Chem. Int. Edit. 2010, 49, 8657；J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 1607），在γ-Al₂O₃上获得了第一张二维¹⁷O-¹⁷O同核双量子固体NMR相关谱，揭示了不同配位状态的氧物种之间空间关联。同时，研究人员还利用精密测量院的800 MHz（18.8 T）谱仪平台，通过高速魔角旋转（MAS，40 kHz）下的氢检测二维¹H-¹⁷O异核多量子相关脉冲NMR 实验，成功区分γ-Al₂O₃表面吸附水、羟基以及非羟基（裸氧）物种并获得它们之间空间临近的信息，实现了对γ-Al₂O₃上氧物种结构从体相到表面的高效NMR表征。对氧中心的深入研究将为调控γ-Al₂O₃的性质和合理设计改进型氧化物催化剂提供了重要依据，该工作也展示了先进NMR谱仪技术和高效NMR脉冲方法相结合在原子-分子尺度挖掘材料微观结构信息的巨大潜力。
　　该研究工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院以及湖北省科技厅的支持。
　　论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-17470-4

γ-Al2O3的二维17O-17O DQ-SQ同核双量子NMR图谱以及氧物种的结构模型

责任编辑：余玉婷