吉林大学于吉红院士团队系统介绍沸石在催化、分离等领域中的新兴应用

沸石是一类微孔结晶材料，自 1940 年代以来，它在化学工业中作为催化剂、吸附剂和离子交换剂发挥着不可或缺的作用。合成方法和表征技术的进步使新型沸石材料的制造成为可能，并在不同领域有新兴应用。通过调整它们的多孔结构、骨架组成和晶体形态，再加上外来活性物质的掺入，沸石和沸石基材料在许多具有挑战性的过程中表现出前所未有的高性能。

2021年8月24日，吉林大学于吉红院士团队在Nature Reviews Materials（IF=66.31）在线发表题为“Emerging applications of zeolites in catalysis, separation and host–guest assembly”的综述文章，该综述重点介绍了沸石和沸石基材料在催化、分离和主客体组装方面的新兴应用。首先，该综述专注于从非石化原料高效催化生产工业上重要的碳氢化合物和含氧化合物，即液体燃料、轻质烯烃、芳烃、甲醇、乙醇和乙酸。然后，该综述讨论了沸石在传统方法和材料难以实现的具有挑战性的分离中的性能，特别是烯烃/烷烃分离、二甲苯异构体分离、脱盐和脱水。此外，该综述简要回顾了几种具有沸石主体或自由客体前所未有的物理特性的主客体系统，例如沸石中的银簇、沸石中的碳点（CD）和沸石中形成的超分子网络。最后，该综述提供了沸石材料开发中面临的挑战和有前景的研究方向的未来展望。

沸石是一类具有有序分布的分子尺寸 (<2 nm)微孔的无机结晶材料。沸石通常由TO4 四面体（其中 T 是四面体配位的 Si、Al 或 P）构成，它们通过共享氧顶点连接成环、笼、通道和 3D 四面体框架。虽然沸石可以在自然界中找到，但第一个合成沸石，铝硅酸盐丝光沸石（MOR 型），于 1948 年报道。此后合成了许多沸石，以满足工业过程不断增长的需求；实例包括铝硅酸盐沸石A（LTA型）、X（FAU型）、Y（FAU型）和ZSM-5（MFI型）；纯硅-硅沸石-1（MFI型）和铝磷酸盐 AlPO-n 系列。

由于其独特的多孔结构，沸石可以用作分子筛，并选择性地吸附和分离特定尺寸、形状和极性的客体 。此外，沸石孔提供的空间限制与其骨架中的催化活性位点相结合，使沸石能够作为独特的形状选择性催化剂来指导特定化学产品的形成。事实上，由于沸石独特的形状选择性、可调酸度、高（水）热稳定性和低生产成本，沸石是当今石油炼制和石化工业中最重要的固体催化剂。

沸石合成和高分辨率表征技术的进步有助于理解沸石材料的结构-性质关系，促进了许多具有有趣物理和化学性质的新型沸石和沸石基复合材料的合成。此外，沸石的应用已从石油化工行业扩展到许多可持续过程。通过调节多孔结构、骨架组成和酸度、晶体形状和尺寸以及与掺入的活性物质的协同作用，各种沸石和沸石基复合材料已被设计用于催化具有挑战性或技术上无法实现的反应。

创纪录的高反应性、选择性和稳定性，以及温和的反应条件，使这些材料成为生产高价值碳氢化合物和平台化学品（如含氧化合物）的有希望的候选催化剂。此外，已经开发出技术来制造高性能沸石吸附材料，用于具有挑战性的分离过程，例如烃分离、脱盐和脱水。沸石也可以用作支架来合并、分散和稳定外来（亚）纳米级活性物质或作为主体基质来诱导客体物质的框架外超分子网络的形成。这些主客体材料可以表现出与原始沸石和自由客体物种大不相同的光学或电子特性。

在这篇综述中，重点介绍了沸石和沸石基材料在催化、分离和主客体组装方面的新兴应用。首先，该综述专注于从非石化原料高效催化生产工业上重要的碳氢化合物和含氧化合物，即液体燃料、轻质烯烃、芳烃、甲醇、乙醇和乙酸。然后，该综述讨论了沸石在传统方法和材料难以实现的具有挑战性的分离中的性能，特别是烯烃/烷烃分离、二甲苯异构体分离、脱盐和脱水。此外，该综述简要回顾了几种具有沸石主体或自由客体前所未有的物理特性的主客体系统，例如沸石中的银簇、沸石中的碳点（CD）和沸石中形成的超分子网络。最后，该综述提供了沸石材料开发中面临的挑战和有前景的研究方向的未来展望。

来源：iNature