中山大学JACS：离子触发沸石环灵活性与局域电场响应的原子成像

云深

2026-06-03

全文概要

中山大学陈强、俞同文、德国于利希研究中心Pengfei Cao和西班牙巴塞罗那自治大学Jordi Arbiol等研究团队通过原子分辨成像技术，揭示了离子交换诱导的MFI型沸石（ZSM-5）中十元环（10-MR）的微观柔性变形，并阐明了离子诱导局域电场变化与骨架扭曲之间的关联。研究发现，Ba²⁺离子在10-MR内引发0.5 Å的通道扩张，大于Na⁺诱导的0.2 Å扩张，同时保持宏观骨架刚性。结合差分相位衬度成像（DPC-STEM）与密度泛函理论（DFT）计算，研究证实Ba²⁺产生的电场导致附近T–O–T键角发生约8°的变形，从而驱动环结构扭曲。CO₂吸附分离实验进一步验证了该柔性环对分子尺寸的响应性。该工作解决了关于离子交换影响沸石孔径变形这一长期未解问题。

本文要点

1. 原子级成像与结构变形：利用iDPC-STEM直接观察了Na⁺、Ba²⁺、Cs⁺在ZSM-5直通孔道中的位置，发现Ba²⁺占据的10-MR尺寸为9.05 Å × 8.69 Å，显著大于Na⁺占据的8.72 Å × 8.41 Å，而未占据环在一维方向收缩以维持整体刚性。

2. 离子诱导局域电场与键角变化：DPC-STEM显示Ba²⁺在10-MR内产生不对称电场分布，结合DFT计算发现Ba²⁺使附近O–T–O和T–O–T键角最多减少8.2°和7.6°，表明电荷而非离子半径是柔性主导因素。

3. 结构与配位环境验证：XRD Rietveld精修显示单位晶胞参数微小变化，XAS证实Ba²⁺与骨架氧形成平均距离为2.78 Å的Ba–O键，配位数为2，支持DFT结果。

4. CO₂吸附与分离验证：Ba-ZSM-5对CO₂吸附容量不随Ba²⁺浓度升高而下降，说明10-MR在容纳Ba²⁺的同时仍允许CO₂通过；计算显示Ba²⁺在孔道中心产生19 V/nm电场，高于Na⁺的8 V/nm，增强了CO₂的静电相互作用。

文献详情

Qiang Chen, Zhao-Bin Ding, Pengfei Cao, et al. Atomic Imaging of Ion-Triggered Flexibility and Local Electric Field Response in Zeolite Rings, J. Am. Chem. Soc. (2026) DOI: 10.1021/jacs.5c22979

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https://doi.org/10.1021/jacs.5c22979