近日，我室纳米与界面催化研究中心固体核磁共振及前沿应用研究组（524组）侯广进研究员团队取得新进展，开发出高温高压原位二维固体核磁共振（NMR）表征新技术，并联合南开大学戴卫理教授团队，在高时空分辨下系统揭示了SAPO-34分子筛的晶化机制，相关成果为分子筛合成领域提供了重要理论支撑。
作为多孔催化材料的核心体系，分子筛凭借其规整的纳米孔道结构和卓越的择形催化性能，在能源化工领域具有不可替代性。其中，SAPO-34分子筛因其在合成气转化和甲醇制烯烃等催化反应中的优异表现，已成为学术界和工业界共同关注的“明星”催化材料。然而，其晶化机理研究长期面临挑战，尤其是在双模板剂存在下的相互作用机制、介稳相演变路径等关键科学问题上，尚未建立完整的理论体系，这严重制约了高性能分子筛的理性设计与可控合成。
固体核磁共振是研究分子筛的强有力工具，多维多核固体核磁共振技术可以提供分子筛原子级空间分辨的精细结构、相互作用等信息。然而，传统二维固体核磁共振谱图采集往往需要数小时乃至数天的累计时间，其时间分辨率与动态过程监测需求存在数量级差距，导致多维固体NMR在化学合成原位监测和反应过程实时追踪等前沿研究中的应用受到严重制约。
本工作中，研究团队设计提出了微量水辅助的双模板无溶剂合成方法，依托前期自主开发的高温高压原位固体核磁共振技术（CN114235876A；CN116465919A；Chin. J. Struct. Chem.，2022；ACS Catal.，2023；Chem，2023；J. Am. Chem. Soc.，2024；J. Energy Chem.，2025），结合优化的灵敏度增强的核磁共振采样技术（Chem. Sci.，2021；Chem. Sci.，2025），实现了在分子筛原位合成过程中分钟级二维固体NMR相关谱的连续采集。团队借助于多维核磁共振的原子级空间分辨和动态监测的时间分辨优势，在高时空分辨尺度下完整捕获了SAPO-34分子筛晶化过程中精细的结构动态演化过程及机制；通过原位二维31P{1H} HETCOR、27Al{1H} HMQC固体NMR，以及原位一维多核固体NMR和外原位NMR技术，系统阐明了双模板剂（四乙基氢氧化铵和吗啉）在CHA拓扑形成过程中的协同与竞争作用，以及羟基的协同晶化机制。研究表明，在分子筛成核诱导期中，还存在着中间体形成的诱导期；在中间体的结构重组过程中，TEAOH优先吸附在AlIV上，双模板剂的动态吸附和解吸演化过程具有可逆性；微量TEAOH在晶体生长过程中作为主要结构导向剂参与晶化。该研究工作不仅加深了对分子筛晶化机制的理解，其建立的NMR表征技术更可拓展至其他功能材料合成和催化反应过程的研究，为精准设计和可控合成提供了新研究手段。
相关研究成果以“Operando Two-Dimensional Solid-State NMR Unveils Dual-Template Collaboration and Competition in SAPO-34 Zeolite Crystallization”为题，于近日发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。该工作共同第一作者是我室524组联合培养博士研究生吴道宁和博士研究生姚鑫龙。上述工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、大连市创新科技人才团队、我所创新基金等项目的资助。（文/图 吴道宁、姚鑫龙）
文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c02853
