沸石催化劑是石油化工的“萬能鑰匙”，從汽油生產到塑料降解都離不開它。但傳統紅外光譜技術如同“霧里看花”，常被沸石骨架的強信號掩蓋關鍵反應細節。近日，英國阿伯丁大學團隊在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》發表綜述，介紹三種“升級版”振動光譜技術——非彈性中子散射（INS）、紅外顯微光譜和二維紅外光譜（2D-IR），它們像“超級顯微鏡”，讓科學家首次看清催化劑表面的分子舞蹈，為高效催化劑設計打開新大門。

傳統紅外光譜：“霧里看花”的困境

沸石催化劑的核心是其內部的“納米孔道”和酸性活性中心（Bronsted酸位點），但要觀察這些位點如何催化反應，傳統紅外光譜卻力不從心。想象一下，用紅外光照射沸石粉末，就像在強光下看透明玻璃上的指紋——沸石骨架的硅氧鍵振動信號太強，掩蓋了反應物分子的微弱振動；而且需要至少10毫克樣品，相當于“用大網撈小魚”，無法觀察單個催化劑晶體的反應差異；更麻煩的是，不同分子的振動峰常重疊在一起，如同“合唱時聽不清獨唱”，難以解析反應中間體。

例如，研究丙烯在ZSM-5沸石中的反應時，傳統紅外光譜只能看到模糊的羥基振動峰，無法區分丙烯是被吸附還是已經發生 oligomerization（齊聚反應）。這些局限讓催化劑設計長期依賴“試錯法”，如同“盲人摸象”。

三種“超級工具”：各顯神通破解難題

INS：氫原子的“放大鏡”

非彈性中子散射（INS）像“氫原子追蹤器”，利用中子對氫的超強散射能力（氫的散射截面是其他原子的100倍以上），直接“過濾”掉沸石骨架的干擾信號。例如，在HZSM-5沸石中吸附丙烯后，傳統紅外看不到的C-H彎曲振動（<1500 cm?1），INS能清晰捕捉，甚至能區分物理吸附的丙烯（140 K時）和發生反應后的脂肪族鏈（>240 K時）。更厲害的是，INS無需透明樣品窗，可直接在金屬反應罐中測量，適合高溫高壓的工業條件模擬。不過它也有“小缺點”：需要5克以上樣品，相當于“用大鍋煮咖啡”，且需在20 K（-253℃）下測量，暫時無法實時觀察反應。

紅外顯微光譜：單晶體的“實時監控器”

紅外顯微光譜借助 synchrotron（同步輻射光源）的“超級光束”，實現了對單個沸石晶體的“實時直播”。例如，在623 K下讓二甲醚流過ZSM-5單晶，顯微鏡能捕捉到反應中間體的“成長軌跡”：先是1510 cm?1處出現甲基環戊烯基陽離子的信號（像反應的“第一顆幼苗”），隨后1620 cm?1處出現甲基芳香化合物的特征峰（如同“開花結果”），與質譜檢測到的產物完全同步。這種技術的空間分辨率達10微米，相當于“看清催化劑表面的每一棟‘分子房子’”，但目前只能觀察大于10微米的晶體，對工業常用的亞微米級催化劑還“無能為力”。

2D-IR：分子振動的“動態攝像機”

二維紅外光譜（2D-IR）通過超短激光脈沖，給分子振動拍“慢動作”。傳統紅外看到的是靜態峰，2D-IR則能顯示振動之間的“悄悄話”（耦合作用）。例如，氘代ZSM-5和FER沸石的傳統紅外光譜幾乎相同，但2D-IR能清晰區分：ZSM-5因存在硅醇巢（缺陷位點），在二維譜上出現額外的交叉峰，而FER則“干干凈凈”。這種技術還能量化活性位點，無需依賴 extinction coefficients（消光系數），如同“用尺子直接量分子濃度”。不過，它需要昂貴的激光設備，目前只能在少數實驗室實現。

未來：從“實驗室”到“工廠”的跨越

盡管這些技術仍需依賴大型設施（如中子源、同步輻射裝置），但前景廣闊。INS有望通過提高光束通量，縮短測量時間；紅外顯微光譜可能結合原子力顯微鏡，突破衍射極限，觀察亞微米晶體；2D-IR則可能隨著激光技術進步，走進普通實驗室。這些“超級顯微鏡”不僅能加速沸石催化劑的設計，還能助力碳中和——比如優化甲醇制烴反應，減少化石燃料依賴。

來源: 化學工程前沿FCSE