沸石，广泛应用于石油化工行业的结晶材料，作为精细化学品生产的关键催化剂，其中铝是沸石结构中活性位点的来源。香港理工大学的一个研究团队揭示了铝原子在沸石框架中的精确位置。这一发现可能有助于设计更高效和更稳定的催化剂，旨在提高石油化工产品的产量，实现高效的可再生能源储存，以及控制空气污染。此项进展将进一步促进沸石在相关领域的应用。研究结果已发表在国际期刊《科学》上。
该研究由香港理工大学应用生物与化学技术系的催化与材料讲座教授曾锡持教授领导。他的团队还包括副教授罗子煊教授，以及第一作者、研究助理教授李光潮博士，均来自同一系。该团队与牛津大学及中国科学院精密测量科学与技术创新研究院的研究人员合作。
沸石的独特性质，以其明确的微孔结构、高比表面积以及可调的酸碱性为特征，使其在石油化工精炼、环境催化和精细化学合成中不可或缺。沸石框架内铝原子的分布影响分子吸附体的几何形状、催化活性以及选择性和尺寸。然而，准确定位这些铝原子并理解其对沸石催化行为的影响，几十年来一直是科学界面临的挑战。
在研究中，团队专注于实验室合成的H-ZSM-5沸石和商业H-ZSM-5沸石，以填补基础研究与实际应用之间的空白，优化H-ZSM-5以适应先进的催化过程。值得注意的是，团队提出了一种创新的方法，将同步辐射共振软X射线衍射——一种研究原子结构的强大工具——与探针辅助的固态核磁共振（SSNMR）和分子吸附方法相结合。这种整合揭示了分子与铝原子活性位点的相互作用。最终，团队在定位商业H-ZSM-5沸石中的单个和成对铝原子方面取得了突破。
研究结果将有助于开发更高效和选择性的催化剂，其影响超越石油化工，可能对可再生能源和污染控制等行业带来潜在益处。降低能耗，进而促进可持续发展并最小化环境影响。关于石油化工精炼，这些催化剂可以提高燃料的产量和质量，特别是对于汽油和烯烃等产品，同时降低能量使用。在环境催化领域，它们有助于改善空气质量和减轻空气污染。对于可再生能源和生物燃料，这些创新推动了氢储存和利用过程，对于氢经济的发展至关重要。
曾锡持教授表示：“这一发现是一个游戏规则的改变，因为它精确识别了沸石框架中铝原子的位置及其排列方式，第一次提供了沸石框架的结构阐明。这一突破使科学家能够设计出更高效和有针对性的沸石催化剂，使化学过程更加快捷、高效并且环保。”
罗子煊教授表示：“我们探索并结合了各种技术，以实现铝原子分布及其与吸附分子的相互作用的多维视角，从而获得对关键反应机制的见解。这使科学家对沸石的结构有了更深入的理解。”
李光潮博士表示：“我们将进一步开发新颖的合成方法，以精确控制铝原子的分布和浓度，以及它们在沸石中的孔结构。这一进展将使催化剂的活性、选择性和稳定性得到优化设计，以适应特定的工业应用。”
展望未来，团队将与行业合作伙伴紧密合作，将研究成果转化为商业应用。通过利用香港理工大学大亚湾科技与创新研究院的广泛网络和研究优势，该研究院专注于绿色化学和可持续催化，团队将与国内石油化工公司合作，促进转化研究，加速先进沸石催化剂的商业化。此项努力得到香港理工大学的先进设施的支持，包括香港唯一的SSNMR设施以及即将引进的大湾区和中国南部的第一个动态核极化SSNMR（DNP-SSNMR）谱仪。这些资源加强了团队的研究能力，促进了其研究工作的进展。
