近日，我所低碳催化與工程研究部（DNL12）郭鵬研究員、劉中民院士團隊基于對分子篩結構與合成的理解，使用商業化模板劑合成了一種穩定的全新超大孔磷鋁分子篩DNL-11，并利用三維電子衍射技術直接解析出DNL-11的晶體結構。
磷鋁分子篩是由磷氧四面體和鋁氧四面體共氧頂點相互連接組成的具有規則孔道或者籠狀結構的磷鋁酸鹽材料。這類材料不僅是磷酸硅鋁（SAPO）分子篩和金屬磷酸鋁（MeAPO）分子篩進一步研究的基礎，也是重要的催化劑載體和吸附劑。磷鋁分子篩的性能與其晶體結構密切相關。通常，分子篩的晶體尺寸屬于亞微米甚至納米級別，傳統的X-射線單晶衍射法難以進行精確的結構分析，這在一定程度上限制了分子篩的發展。郭鵬和劉中民團隊一直聚焦電子晶體學（包括三維電子衍射和高分辨成像技術）和X-射線粉末晶體學，針對納米晶態多孔材料的結構解析（Angew. Chem. Int. Ed.，2021；Angew. Chem. Int. Ed.，2023；Nat. Commun.，2023；Chem. Soc. Rev.，2024）、基于結構表征輔助的分子篩合成方法的開發（J. Am. Chem. Soc.，2023）、分子篩中的構-效關系（J. Am. Chem. Soc.，2023；Chem. Sci.，2021）開展了系統性的研究工作。
本工作中，研究人員通過上述先進表征手段理解已知分子篩中結構導向劑的作用機制，并應用于分子篩的設計合成過程。團隊通過使用商業化結構導向劑，合成了一種全新拓撲結構的分子篩，命名為“DNL-11”。進一步團隊利用三維電子衍射技術與PXRD精修技術對DNL-11進行結構解析與精修，直接確定了DNL-11的晶體結構，以及結構導向劑的落位。研究發現，DNL-11擁有一維的16元環超大孔道，其中結構導向劑以兩列交叉的形式排列，并通過π-π堆積作用力進行超分子組裝；所有結構導向劑均質子化，并與骨架上的氧原子發生相互作用。此外，團隊還證明DNL-11能夠在高達1000℃的溫度下保持結構穩定，并且在極低濕度環境（濕度=5%）中展現出良好的水吸附性能。
相關研究成果以“Unraveling a Stable 16-Ring Aluminophosphate DNL-11 through Three-Dimensional Electron Diffraction for Atmospheric Water Harvesting”為題，于近日發表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。該工作的第一作者是我所DNL1210組博士研究生乜晨陽，理論計算部分得到了我所李國輝研究員和廖晨依副研究員的支持。該成果得到國家自然科學基金等項目的資助。（文/圖 乜晨陽、郭鵬）
文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.4c01393
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