理大研究揭示沸石結構 促進催化劑於石油化工和再生能源的應用

沸石是石油化工業中廣泛應用的晶體材料，也是製造精細化學品的關鍵催化劑，而鋁是沸石材料活性中心的來源。香港理工大學（理大）團隊的研究成功揭示鋁原子在沸石骨架的精確位置，有望用於設計效能更高和更穩定的催化劑，提高石油化工產品的產量、實現高效的再生能源儲存和空氣污染管制，促進沸石在相關領域的應用。研究成果已於國際期刊《科學》發表。

研究由理大應用生物及化學科技學系催化及材料學講座教授曾適之教授、副教授勞子桓教授，以及第一作者研究助理教授李光超博士帶領，與牛津大學及中國科學院精密測量科學與技術創新研究院合作開展。

沸石具有清晰的微孔結構、高表面積，以及可調節酸鹼度等特性，在石化提煉、環保催化劑及精細化學品合成過程中是不可或缺。沸石中的鋁原子分布會影響分子吸附物的幾何形狀、催化活性，以及形狀和尺寸的選擇性。然而，鋁原子在沸石骨架的精確位置及分布，以及其對沸石催化行為的影響，一直是科學界未解決的難題。

團隊研究了實驗室合成及商用的兩類H-ZSM-5沸石，以拉近基礎研究與實際工業應用之間的差距，並優化H-ZSM-5，實現更高效的催化製程。團隊運用創新的方法，利用專為探測材料晶體結構而設的工具，包括「同步輻射共振軟X射線衍射」及「探針輔助固態核磁共振」（SSNMR），結合分子吸附方法，成功揭示分子與鋁活性位點的互動作用，並在商用 H-ZSM-5 沸石骨架結構內找到單一及成對鋁原子的精確位置，在鋁原子定位上取得突破。

研究成果將有助製造更高效、更具選擇性的催化劑，其應用不限於石油化工產品，還可惠及再生能源和污染控制等產業，促進可持續發展，減少對環境的影響。在煉油石化應用方面，可提高汽油和液體燃料原料「烯烴」的產量及質量，同時降低能耗。如應用於環保催化劑，可更有效舒緩空氣污染問題。在再生能源與生物燃料應用方面，則有助實現更高效的氫氣存儲和利用，有助推動氫能經濟的發展。

曾適之教授表示：「研究的創新性在於找到鋁原子在沸石骨架的精準位置和定位方式，並首次提供了沸石骨架的全面結構分析。這項重大發現有助設計更高效、更具針對性的沸石催化劑，使化學品製造過程更迅速、節能和環保。」

勞子桓教授表示：「我們積極探索和結合多種技術，從多維度了解鋁原子的分布及其與吸附分子的互動作用，成功揭示了鋁原子在沸石中的關鍵反應機制，讓科學界對沸石的結構有更深入了解。」

李光超博士表示：「未來，團隊將進一步開發新的合成方法，以精確控制沸石中鋁原子的分布、濃度及孔隙結構，以設計具最佳活性、選擇性和穩定性的催化劑，滿足特定工業的需求。」

此外，團隊會積極與工業夥伴緊密合作，促進研究成果轉化落地。綠色化學與可持續催化是理大大亞灣技術創新研究院的重點研究方向之一，團隊將借助研究院的龐大網絡和科研優勢，與當地石油化工企業合作，攜手推動創新轉化研究，加速先進沸石催化劑的商業應用。目前，理大擁有全港唯一一部SSNMR設施，也將引入粵港澳大灣區及華南地區首部「動態核極化SSNMR（DNP-SSNMR）光譜儀」，進一步提升研究工作的進度。

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