石油化工、塑料降解、碳中和……這些關乎國計民生的產業背后，都離不開沸石催化劑的“默默工作”。這種擁有納米級孔道的材料，能像“分子篩”一樣精準加速化學反應，但其內部的催化過程卻像“暗箱操作”——傳統紅外光譜技術常被沸石骨架的強信號掩蓋關鍵細節，讓科學家看不清反應中間體的“真面目”。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，如同給催化劑裝上“高清攝像頭”，首次實現對分子反應的實時追蹤，為高效催化劑設計提供“導航圖”。

傳統技術的“三大痛點”

沸石催化劑的核心是其表面的酸性活性位點和孔道結構，就像“微型化工廠”中的精密儀器。但要觀察這些“儀器”如何工作，傳統紅外光譜卻面臨三大難題：

信號“堵車”：沸石骨架的硅氧鍵振動信號太強，如同“演唱會主音箱蓋過人聲”，掩蓋了反應物分子的微弱振動峰。例如，研究丙烯在ZSM-5沸石中的反應時，傳統紅外只能看到模糊的羥基峰，無法區分丙烯是被吸附還是已發生反應。

樣品“浪費”：需要10毫克以上粉末樣品，相當于“用大網撈小魚”，無法觀察單個催化劑晶體的差異。而工業催化劑中，不同晶體的活性可能相差數倍，這種“平均化”測量容易錯失關鍵規律。

動態“失明”：無法實時捕捉反應中間體的變化。比如甲醇制烴反應中，從甲氧基到芳香烴的轉化只需毫秒級時間，傳統光譜如同“用慢鏡頭拍賽車”，根本跟不上反應節奏。

三種“神器”各顯神通

INS：氫原子的“GPS定位系統”

非彈性中子散射（INS）像“氫原子追蹤器”，利用中子對氫原子的超強敏感性（氫的散射截面是其他原子的100倍），直接“過濾”掉沸石骨架的干擾。例如，在HZSM-5沸石中吸附丙烯后，INS能清晰捕捉到<1500 cm?1的C-H彎曲振動——140 K時顯示物理吸附的丙烯特征峰（像“未啟動的汽車”），240 K以上則出現脂肪族鏈的振動信號（如同“引擎啟動”），直觀揭示反應溫度臨界點。更絕的是，INS可在金屬反應罐中測量，無需透明窗口，適合模擬工業高壓環境。不過它需要5克以上樣品（相當于“用浴缸做實驗”），且需在-253℃下測量，暫時無法實現“實時直播”。

紅外顯微光譜：單晶反應的“4K攝像機”

紅外顯微光譜借助同步輻射光源的“超級光束”，將空間分辨率提升至10微米，相當于“看清催化劑表面的每一棟分子房子”。例如，在623 K下讓二甲醚流過ZSM-5單晶，顯微鏡實時記錄到：1510 cm?1處先出現甲基環戊烯基陽離子的信號（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（“開花結果”），與質譜檢測到的產物生成完全同步。這種技術首次實現“一晶一反應”的精準觀測，但目前只能“拍攝”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“動態心電圖”

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清晰揭示差異：ZSM-5因存在硅醇巢（缺陷位點），在二維譜上出現額外交叉峰，而FER則“干干凈凈”。這種技術還能量化活性位點，無需依賴消光系數，如同“用尺子直接量分子濃度”。不過，它需要昂貴的飛秒激光設備，目前全球僅少數實驗室能實現。

從實驗室到工廠：還有多遠？

這些技術雖仍依賴大型設施（如中子源、同步輻射裝置），但已展現工業化潛力。INS可用于優化甲醇制烴催化劑，減少焦炭生成；紅外顯微光譜能指導催化劑晶體生長，提升反應均勻性；2D-IR則為動態反應機理研究提供“新視角”。未來，隨著設備小型化（如桌面型同步輻射光源）和算法升級（結合機器學習解析光譜），這些工具有望走進普通實驗室，讓催化劑設計從“炒菜式試錯”變為“精準靶向設計”。

來源: 化學工程前沿FCSE