南开戴卫理/大化所侯广进/石科院李明丰等顶刊综述: 吸附与扩散—提升沸石催化剂选择性与活性的重要机制

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沸石 (Zeolite) 具有独特的微孔骨架结构、可调控的孔径以及灵活的酸性位点分布，这些特性使吸附与扩散过程在决定其催化活性与反应选择性中发挥了关键作用。
由南开大学戴卫理研究员、中国科学院大连化学物理研究所侯广进研究员和石油化工科学研究院李明丰研究员领先的团队在 ChemSocRev 发表综述并被选为Issue 20 的封面文章，系统梳理了沸石材料中分子吸附与扩散行为的基本原理、表征手段及最新研究进展。
作者综合介绍了最前沿实验技术与多尺度计算方法，阐明了沸石孔道内分子传输动力学、相互作用机理及能垒特征。围绕几类具有代表性的沸石拓扑结构，重点讨论了它们在烃类吸附、催化裂化、甲醇转化以及分子分离等典型应用中的性能表现与机理认识。文章进一步地总结了通过调控 Si/Al 比、引入金属离子、构建分级孔结构以及精细调节酸性位点分布等策略，实现对吸附与扩散的协同优化，从而显著提升催化效率与产物选择性。这些进展为在分子尺度精准调控传输行为与反应路径提供了重要思路，也为开发面向清洁能源、高效化工过程与环境治理的可持续沸石基催化体系奠定了基础。

引言

沸石是一类应用广泛的多孔材料，具有高度有序的微孔骨架、巨大的比表面积、可调节的孔结构以及可设计的表面酸性。其规则的孔道体系在多种催化反应中展现出独特优势。沸石孔道内的吸附与扩散行为直接影响反应物分子抵达活性位点的效率，是决定催化活性与选择性的核心因素。因此，深入理解这一过程对于实现沸石催化剂的理性设计和精准调控具有关键意义。 

过去几十年中，关于沸石吸附与扩散的研究已从多种视角展开，并积累了大量理论与实验成果。然而，随着先进表征手段和催化评价策略的快速发展，将沸石微观结构、分子传输行为与催化性能进行系统整合，已成为揭示“传输—反应”耦合机制的关键。本综述从吸附和扩散的基本机制出发，对当前广泛使用的表征技术进行了系统总结（原文图 1 ），并结合这些技术在实际催化体系中的应用加以解析，以期获得更深刻的机理认识。 

  • 原文图 1. 本文综述主要内容示意图

本综述按沸石拓扑结构类型，对其结构特点及在关键反应中的性能表现进行总结，包括甲烷活化、费托合成、催化裂化以及吸附分离等领域。

除了多种形式的扩散系数，本综述还讨论了吸附、扩散与反应动力学研究中常用的一系列关键参数。例如评估稀溶体系吸附强度与选择性的亨利常数；描述吸附热力学的吸附焓与吸附熵；分子从外部流体进入内部孔道速度的传质速率；分子在孔道内的迁移能力的扩散速率常数等。在活性位点趋于饱和的条件下，零级反应速率常数可准确描述吸附态分子参与的表面反应动力学。

总体而言，这些参数共同构建了分析沸石中吸附平衡、晶内扩散与反应动力学的定量基础。此外作者在文中进一步讨论了影响吸附与扩散行为的关键因素，提出了新的理解视角。通过对现有研究的系统梳理，本综述揭示了控制沸石吸附与扩散性能的结构–性质关系框架，为开发新型催化吸附剂与分离材料奠定了理论基础。同时也指出了当前研究中的挑战与机遇，为未来的发展方向和技术创新提供参考。






沸石因其高度有序的微孔结构、丰富的酸性位点以及可调控的孔径，一直是催化、吸附与分离领域的核心材料。深入理解其孔道内的吸附与扩散过程，不仅有助于提升现有工业反应的选择性，还为新一代高性能多孔材料的设计提供重要理论基础。将先进表征技术与多尺度模拟结合，可更全面揭示分子在沸石中的传输—反应机理。
（1）吸附与扩散是催化反应的关键步骤。通过区分物理吸附与化学吸附、梳理多种扩散机制，并借助 Maxwell–Stefan、IAST 等模型，研究者能够更准确地解析竞争吸附、非平衡扩散等复杂行为。

（2）Langmuir 模型、准弹性中子散射 (QENS)、脉冲场梯度核磁共振 (PFG NMR)、气相色谱 (GC) 和零液相色谱 (ZLC) 等方法结合了理论与实验技术，能够以前所未有的分辨率追踪分子传输，极大加深了对主—客体相互作用的理解。

（3）不同拓扑结构赋予沸石独特的吸附与扩散特性。例如，FAU 的大孔道适用于大分子转化与分离；CHA 的小孔结构适于分子筛分与甲烷活化；MFI 等骨架通过缺陷调控与酸性位点优化可显著提升反应性能。

 （4）本综述强调酸性位点分布、骨架外阳离子、孔径调控及环境条件对吸附与扩散行为的重要影响。合成后改性与阳离子交换等手段，可有效调节吸附强度与扩散动力学，从而提升催化表现。

沸石研究的核心正从“高比表面积与强酸性”向“精细的孔环境调控与动态过程理解”转变。随着原位/准原位表征、数据驱动模拟和结构可控构筑的持续发展，新一代高效、稳定且可持续的沸石及多孔复合材料将不断涌现，为绿色化学与清洁能源转化提供坚实的支持。

综述目录

  • Introduction
    引言
    Basic principles of adsorption
    扩散的基本原理
    Basic principles of diffusion
    扩散的基本原理

    Adsorption and diffusion in zeolite catalysis

    沸石催化中的吸附与扩散

    原文表 1：本篇综述涵盖的沸石催化剂的骨架类型和典型Si/Al比

  • Characterization methods for adsorption and diffusion
    吸附与扩散的表征方法
    Adsorption described by the Langmuir model
    Langmuir 模型的吸附行为
    Adsorption and diffusion studied by quasi-elastic neutron scattering (QENS)
    准弹性中子散射（QENS）研究吸附与扩散

    Adsorption studied by gas chromatography (GC)

    气相色谱（GC）表征吸附
    Diffusion studied using pulsed field gradient nuclear magnetic resonance (PFG NMR)
    脉冲场梯度核磁共振（PFG NMR）研究扩散
    Theoretical simulation of adsorption and diffusion
    吸附与扩散的理论模拟
  • Zeolite materials in adsorption and diffusion applications
    沸石材料在吸附与扩散相关领域的应用
FAU zeolites
FAU 型沸石
CHA-type zeolites
CHA型沸石

MFI-type zeolites

MFI型沸石
MOR-type zeolites
MOR型沸石

*BEA zeolites

*BEA型沸石
Other zeolites
其他类型沸石

  • Influencing factors of the adsorption and diffusion on zeolite catalysts

    影响沸石催化剂中吸附与扩散的因素

Acid sites as influencing factors
酸性位点的影响
Pore size, channel type, and morphology as influencing factors
孔径、孔道类型与晶体形貌的影响
Extra-framework cations as influencing factors
骨架外阳离子效应
Hydrophilicity and framework defects as influencing factors
亲水性与骨架缺陷效应
Experimental conditions of adsorption and diffusion studies
吸附与扩散研究中的实验条件


  • 期刊：Chemical Society Reviews

    题目：The role of adsorption and diffusion in improving the selectivity and reactivity of zeolite catalysts

    作者：Daoning Wu,ab   Min Yang,b   Jun Yu,a   Michael Dyballa, ORCID logo c   Ping Yang,d   Mingfeng Li,*d   Guangjin Hou, ORCID logo *b   Michael Hungerc  and  Weili Dai *a

    接受日期: 16 September 2025

    原文链接: DOI   https://doi.org/10.1039/D5CS00220F