清华新闻网4月14日电 以沸石分子筛为代表的无机多孔材料由于其可调控的结构，在催化、能量转换、气体储存和分离等领域有着广泛的应用。多孔骨架材料结构调变研究的进展使我们能够通过改变孔隙率、连通表面和缺陷来设计各种多孔骨架结构。这样的多样性使得多孔材料的世界丰富而精彩。例如，两种磷酸硅铝分子筛SAPO-34和SAPO-18在一个方向上完全匹配，通常形成交生结构。在SAPO-34/18交生晶体中，SAPO-34和SAPO-18相区的空间分布和堆积顺序决定了两种骨架组装过程中微观结构的多样性，进而影响交生晶体的宏观结构以及催化性能。可控的结构设计首先需要拥有超高水平的实空间成像能力（分辨率和信噪比）来获取更多的结构信息。我们可以通过解析多孔材料的局部结构来更好地理解多孔材料的结构-性能关系，进而指导研究者按照目标功能来设计多孔材料的结构。然而，分子筛等电子束敏感材料的原子级表征对于电子显微镜仍然是一个重大挑战。
最近，清华大学魏飞教授课题组将积分差分相位衬度扫描透射电子显微镜（iDPC-STEM）的技术应用于电子束敏感的多孔材料的原子级成像，包括多种分子筛和金属有机骨架。在这项工作中，作者进一步将iDPC-STEM技术应用于一类在甲醇-烯烃（MTO）转化的催化剂结构成像，即SAPO-34和SAPO-18分子筛的交生催化剂。通过改变Si元素含量和模板种类，作者可以精确地控制SAPO-34和SAPO-18相区在微观结构中的空间分布和堆叠顺序，得到两种具有多级结构和三明治结构的SAPO-34/18交生催化剂。基于iDPC-STEM，SAPO-34/18分子筛的晶格和局域结构可以被原子级地解析，包括对轻原子和化学键的清晰指认。SAPO-34和SAPO-18晶格在多级结构催化剂中几乎均匀混合，而在三明治结构催化剂中则完全分离。这种微观结构的差异与交生结构中Si元素的分布有着直接的联系，而微观结构上的差异导致了多级结构和三明治结构催化剂宏观形貌的不同，并提升了它们在MTO反应中的催化性能。

SAPO-18/34交生结构的原子级结构成像及Al-O、P-O化学键的指认
这项工作为电子显微学、催化和材料科学带来了许多突破性启示。首先，iDPC-STEM技术大大提高了电镜对电子束敏感分子筛的成像水平。基于iDPC-STEM，作者首次实现了磷磷酸硅铝分子筛的原子级成像。利用图像的超高分辨率和信噪比，作者可以清晰地识别出Al，O，P原子和Al-O，P-O键。成像技术的进步为SAPO-34/18催化剂交生结构的原子级解析提供了基础。通过改变反应物组成和模板种类，SAPO-34和SAPO-18晶格的混合和分离可以被精确地控制。这种微观结构的差异可以被放大，从而导致催化剂晶体的宏观形貌完全不同。由于催化剂的晶粒尺寸（产物的扩散距离）和表面结构对催化剂的气体选择性和使用寿命有很大的影响，因此微观结构的设计可以改变催化剂的宏观形貌，进而指导催化剂性能的调控。最后，这些结果将启发读者们认识到iDPC-STEM技术对于其他电子束敏感材料的独特成像优势，如金属有机骨架、二维材料、聚合物以及更多的无机/有机杂化体系，并让读者们对基于这些材料的不同催化剂体系产生新的认识和理解。
相关工作近日以“指认轻原子和化学键来解析用于甲醇转化SAPO-34/18交生催化剂原子级结构研究”（Resolving atomic SAPO-34/18 intergrowth architectures for methanol conversion by identifying light atoms and bonds）为题发表在《自然?通讯》（Nature Communications）期刊上。文章第一作者为清华大学申博渊博士，文章通讯作者为清华大学陈晓博士、王垚教授和魏飞教授。
论文链接：
https://www.nature.com/articles/s41467-021-22438-z
供稿：化工系
编辑：李华山
审核：吕婷

2021年04月14日 09:22:40