NMR研究超稳Y分子筛水热老化过程中结构与酸性的变化

利用固体核磁共振（NMR）结合探针分子技术,探讨了超稳Y分子筛在水热老化过程中酸中心结构和酸性的变化规律.结果表明,水热老化初期,大量的骨架铝脱出最终形成了非骨架五配位铝,使得丙酮探测到的Brønsted酸（B酸）酸量随着老化时间的增加而减少.而非骨架五配位铝会向表面迁移并形成多聚铝,使得分子筛中Lewis酸（L酸）酸量也随老化时间的增加而减少.在老化过程的前3 h内,酸量的变化幅度较大.整体硅/铝原子比相等的分子筛,其B酸酸量的变化幅度与新鲜剂的晶胞大小呈正比;随着老化时间的继续增加,不同配位的铝物种的含量趋于稳定,B酸和L酸的酸量变化幅度很小.在整个水热老化过程中,超稳Y分子筛中B酸和L酸的协同效应一直存在,由协同效应产生的一种酸性增强的B酸位的稳定性最好.     

固体核磁共振结合密度泛函理论计算研究SSZ-39分子筛的钠离子落位与铝分布

具有AEI结构的SSZ-39分子筛的骨架外阳离子落位和铝分布对其催化性能影响显著.AEI笼中有三个结晶学不等价位，且铝取代T位具有一定的倾向性.本文结合固体核磁共振（NMR）技术（²⁷Al/²³Na MQ MAS NMR），以及密度泛函理论（DFT）计算，研究了不同硅铝比Na-SSZ-39分子筛中的Na⁺落位和铝分布.在孤立铝分布的情况下，铝原子优先占据于T3位，Na⁺主要落位于AEI笼中的SIIa0和SIII'a0位点上，其中SIII'a0位点的优先度较高，此外少部分Na⁺还落位于六棱柱内部的SIa0.当铝对存在时，AlSiSiAl分布的铝对占据六元环的对位（T3-T3），对应的Na⁺分别落位于SIIa1和SⅢ'a1位点.随着分子筛结构的部分破坏，游离的Na⁺可能形成明显的SIII'b位点.本文可加深对SSZ-39分子筛构效关系的理解，为更好地调控催化性能奠定基础.     

固体酸催化剂及分子筛晶化过程的核磁共振研究

介绍了一些常规固体核磁共振的技术的发展状况, 并综述了固体核磁共振在多孔材料中的应用情况, 其中包括沸石分子筛酸性和结构表征以及目前在分子筛合成机理研究中的应用进展. 本文的主要内容是利用固体核磁共振结合其它表征技术研究了一类介孔固体酸催化材料的酸性以及两种微孔磷铝分子筛的合成晶化过程.  利用有机聚合物为模板剂合成出两种介孔复合氧化物MoO_x/ZrO₂与WOx/ZrO₂固体酸材料. 并对其进行了物理化学性质的表征. 研究发现它们在较高的焙烧温度下仍保持有较高的比表面积及规整的孔径. 利用固体核磁共振技术及DFT计算的方法发现在介孔WO_x/ZrO₂及MoO_x/ZrO₂表面存在两种类型的Br[AKo¨D]nsted酸位, 其酸强度强于传统的HZSM-5分子筛, 与典型的固体强酸硫酸锆相当, 但弱于100％的硫酸. 借助于理论计算清楚地揭示了酸性位的具体结构和酸强度信息, 且计算结果与实验结果符合得非常好. 除了弱酸性的Zr-OH基团外, 在介孔氧化锆表面存在大量的Lewis酸位（配位不饱和的Zr⁴⁺）. 在引入Mo或W物种后, Mo-OH或W-OH与不饱和的Zr⁴⁺配位产生作为Br[AKo¨D]nsted酸位的桥式Mo-OH-Zr(或W-OH-Zr)羟基, 并且导致氧化锆表面Lewis酸位的大量减少. 利用理论计算证实了单聚或多聚体形式的桥式Mo-OH-Zr(或W-OH-Zr)羟基是强Br[AKo¨D]nsted酸性位产生的根源, 同时提出了酸性位形成的机理. 利用水热晶化法合成了AlPO₄-5和MgAPO-36两种具有重要工业潜在应用价值的分子筛材料并用固体核磁共振技术结合X射线衍射、傅里叶红外、高分辨电子显微镜等技术研究了它们的详细晶化过程. 研究发现在HF存在条件下加热120 min后具有AFI类型的骨架晶化开始. 此时³¹P NMR谱中在δ -22与 δ -29处出现两个来源于骨架P-O-Al单元的信号, ¹⁹F NMR谱中在 δ -120处出现来源于骨架F-Al_pen-O-P单元的信号, 证实了晶体骨架开始形成. 另外, 凝胶中五配位Al（F-Al_pen-O-P）的出现是分子筛晶化开始的另一个标志. 利用²⁷Al→³¹P HETCOR、 ³¹P{²⁷Al} TRAPDOR及¹H→³¹P CP/MAS等双共振实验详细研究了初始凝胶相及晶化开始时凝胶相的结构, 在120 min加热凝胶中区分出具有不同化学环境的配位P原子, 提出了详细的晶化过程机理.  对于另一种具有高活性的镁取代的MgAPO-36分子筛催化材料, XRD发现在第二阶段423 K时, 加热1.5 h后骨架晶化开始. ³¹P NMR证实此时凝胶相中形成了P-O-Al及Mg-O-P骨架单元, 此后（2 h）凝胶相中出现半晶相的棒状颗粒. 并最终晶化为不规则球状的MgAPO 36晶体（18 h后）. 利用²⁷Al→³¹P HETCOR及¹H→³¹P CP/MAS分析了中间凝胶相的微观结构并利用³¹P{²⁷Al} TRAPDOR NMR技术研究骨架晶化开始时凝胶相中P(nAl) (n=1~4)的配位结构, 得出了5种具有不同配位状态的微观化学环境, 提出了详细的晶化过程机理.     

固体核磁共振研究固体酸催化剂酸性进展

酸性直接与固体酸催化剂的活性相关,因此研究固体酸催化剂的酸性受到了科研工作者的广泛关注. 固体核磁共振技术已经成为研究固体酸催化剂酸性的一种强有力的工具. 该文介绍了固体核磁共振的特点和各种常用技术,着重综述了固体核磁共振研究固体酸催化剂酸性的进展.     

脱铝丝光沸石中扭曲四配位铝的27Al 3Q MAS NMR研究

用²⁷Al MAS,3Q MAS NMR研究了脱铝的丝光沸石和无定形硅铝胶中的铝配位态，在丝光沸石中检测到归属于扭曲四配位铝（Distorted Tetrahedrally Coordinated Al, DTA）的信号，通过与无定形硅铝胶的比较，发现扭曲四配位铝的存在是活化和脱铝酸性沸石的典型特征. 从这些结果推断：DTA可能是沸石骨架脱铝形成非骨架铝的中间状态.     

量化计算在预测NMR参数和固体催化剂酸性中的应用

本论文将量化计算和NMR实验方法相结合,研究了有机分子在分子筛孔道中的吸附以及分子筛H-MCM-22和重要烷基化催化剂BF₃/γ-Al₂O₃的酸结构和酸强度, 同时我们成功将组合量子化学ONIOM-GIAO方法用到大体系化学位移的计算.  (1) 将ONIOM-GIAO方法用来预测有机固体化合物和吸附在分子筛孔道中有机小分子的¹³C化学位移屏蔽张量. 以前该方法仅被用来研究小的体系,我们成功将其用于预测氨基酸分子和一系列被吸附有机分子的¹³C的化学位移. ONIOM-GIAO方法充分将氨基酸晶体(或分子筛骨架)的空间结构和静电势的影响考虑到活性中心化学位移的计算中,计算得到的¹³C化学位移与实验值符合得非常好.  (2) 分子筛中铝原子和Brǒnsted酸性质子的分布将直接影响到分子筛的催化反应活性. 我们利用ONIOM方法研究了铝原子在分子筛MCM-22骨架中的分布状态,结合探针分子(丙酮和三甲基膦氧)的固体NMR实验,确定了MCM-22分子筛的酸强度和酸分布,合理地解释该分子筛对某些催化反应所表现出的独特选择性.  (3) 结合固体NMR实验结果,用量化计算方法从原子分子水平揭示了重要烷基化催化剂BF₃/γ-Al₂O₃酸位形成机理,提出来了BF₃表面修饰γ-Al₂O₃后所产生Brǒnsted和Lewis酸性位的结构. 理论计算提出的酸性位的结构和酸强度特征完全符合NMR的实验结果.  (4) 量化计算表明当异丙醇与萘分子共吸附在丝光沸石孔道中,异丙醇呈现被分子筛Brǒnsted酸质子化的趋势. 这是由于萘分子大的共轭体系所表现出的强溶剂诱导效应,分散了异丙醇碳正离子的电荷,这是一种新的非极性溶剂所产生的诱导效应.     

CaO-Al2O3-SiO2熔渣结构和热导率的分子动力学模拟

利用分子动力学模拟研究CaO-Al₂O₃-SiO₂三元熔渣的微观结构和热导率。针对六组不同Al₂O₃含量的熔渣,基于BMH势函数分析了径向分布函数、键长、键角分布函数、氧类型和微结构单元Qⁿ等微观结构信息。结果表明硅和铝在熔渣中以四面体网络结构存在,硅氧四面体较铝氧四面体更为稳定。随着铝含量增加,熔体中的键长和四面体中心角无明显变化,Al-O-Al和Si-O-Al键角逐渐减小;网络中的桥氧(BO)和三配位氧(TO)含量增加,Q³和Q⁴含量增多,在高铝区出现较多的五配位铝(Al^V)。采用Muller-Plathe方法计算了熔渣的热导率,随着铝替代硅原子,网络的聚合程度增加,强化了熔体的热输运能力,热导率呈现增大趋势。     

基于固体核磁共振技术的固体酸结构、酸性及活性分析

固体酸是工业烃转化和生物质精炼中应用最广泛的非均相催化剂之一，了解它们的局部结构和酸性等性质有利于合理设计高效绿色固体酸催化剂，从而提高目标反应的活性和稳定性.近年来，固体核磁共振波谱在定性和定量表征固体酸的局部结构和酸性方面已显示出巨大的应用潜力，甚至可作为一种标准方法.二维固体核磁共振波谱的应用可以进一步揭示固体酸表面位点的结构对称性和不同位点的空间构效关系，从而加深对“催化剂结构-酸性-活性关系”的理解.在这篇综述中，我们总结了用于固体酸表征的固体核磁共振波谱方法和常规实验操作流程，并着重阐述了在使用和不使用探针分子的情况下，固体核磁共振波谱应用于固体酸局部结构和酸性性质研究的进展.     

六氟硅酸铵后处理对H-ZSM-5分子筛酸性影响的固体NMR研究

本文利用固体核磁共振（NMR）实验对六氟硅酸铵（AHFS）溶液洗涤前后H-ZSM-5分子筛上铝物种变化引起的酸性改变进行了研究.结果显示经AHFS洗涤处理后，分子筛上构成Brøsted酸的骨架四配位铝物种会部分减少；具有Lewis酸性的骨架三配位铝量在经AHFS脱铝处理后少量降低；同时AHFS温和脱铝的方式主要会引起分子筛上另一类具有Lewis酸性且含Al-OH的铝物种大量减少，从而导致处理后分子筛整体酸性的显著改变.     

固体核磁共振技术在锡硅分子筛表征中的应用

生物质等绿色资源的高效转化利用是催化科学的重要发展方向.锡硅分子筛因具有优良的催化性能而得到相关研究者的普遍关注.准确构建催化剂活性中心结构/酸性与催化反应性能之间的构效关系是新型高效催化剂设计与研发的基础.固体核磁共振（NMR）是研究分子筛活性中心局域结构、酸特性与催化反应机理的重要手段.本文简述了近年来固体NMR技术在锡硅分子筛研究领域的一系列主要进展,并进行了展望.     

Y型沸石脱铝机制和铝状态的NMR研究

对Y型沸石原粉及几种不同脱铝样品进行了几种不同NMR方法的测量,确定了不同处理过程的脱铝机制和骨架内外铝状态的变化,²⁹Si MAS NMR谱给出了骨架Si、Al分布的信息,反映了不同方法处理样品其脱铝机制的差异,据此可以控制Y沸石脱铝过程获得更高的硅铝比,²⁷Al MAS NMR谱、二维章动NMR及¹H-²⁷Al CP/MAS NMR测量表明:水热处理的Y沸石中存在4种不同的铝状态。综合²⁹Si和²⁷Al MAS NMR观测,可相当程度地推断Y型沸石分子筛脱铝改性所发生的内部过程。     

丝光沸石催化剂的固体高分辨核磁共振研究

利用²⁹Si MAS NMR及²⁷Al MAS NMR技术研究了丝光沸石催化剂制备过程中的结构变化,并利用Al的四极作用大小来区分重叠在一起的不同的Al物种.     

Solid-state NMR investigation on the interactions between a synthetic montmorillonite and two homopolypeptides

Interactions of two homopolypeptides (polylysine and polyglutamic acid) with a synthetic montmorillonite were studied by ¹H MAS, ¹H–²⁷Al HETCOR and ¹H–¹³C CP-MAS NMR experiments. ¹H–²⁷Al HETCOR with ¹H spin-diffusion NMR appears to be a powerful probe for the identification of the polypeptide fragments, which interact with the montmorillonite interlayer surfaces. In particular, selective interactions were observed between the polypeptide side-chains and the montmorillonite octahedral aluminum atoms. ¹H–¹³C CP-MAS NMR experiments were used to assess the dynamics of the two polypeptides through the measurement of the t_1/2 characteristic time of selected carbons. Results indicate that the local mobility of the side chains and their interaction with the montmorillonite layers depend on the nature of the adsorbed polypeptides.     

H MAS and H[Na] double resonance NMR studies on the modification of surface hydroxyl groups of γ-alumina by sodium

The modification of surface hydroxyl groups with sodium in a series of Na₂CO₃-γ-Al₂O₃ catalysts was investigated as a function of both the Na₂CO₃ loading and the calcination temperature by means of ¹H magic angle spinning (MAS) and ¹H[²³Na] spin-echo double resonance NMR techniques. The ¹H NMR experiments revealed that sodium ions are homogeneously distributed over the alumina surface and closely coordinated with the surface hydroxyl groups. In the catalysts calcined at 250 °C, the acidic hydroxyl groups (with a chemical shift of 2.0 ppm) are preferentially associated with sodium ions at low Na₂CO₃ coverages (5 and 10%), while both the acidic and the basic (0 ppm) hydroxyl groups are accessible for sodium ions at high coverages (15 and 20%). The coordination causes a low-field shift of about 2 ppm in the ¹H MAS spectra, and a broad signal at 4.5 ppm appears. It is interesting that the 4.5 ppm signal is completely suppressed in the ¹H[²³Na] MAS experiments, providing direct evidence that a strong interaction exists between adsorbed sodium ions and the surface hydroxyl groups. Increasing the calcination temperature to 450 °C results in preferential removal of the acidic hydroxyl groups, and only the most basic hydroxyl groups remain when the calcination temperature is raised to 600 °C. This is attributed to the formation of the coordinated species which enhances the acidity of the surface hydroxyl groups and prompts their dehydroxylation, especially at high calcination temperature. Correlation of the ¹H MAS NMR results and catalytic activity measurements indicates that the basic hydroxyl groups are essential for the carbonyl sulfide hydrolysis reaction.     

H, V and N nuclear magnetic resonance studies of structure and properties of vanadia supported on TiOx/SiO2

¹H magic-angle spinning nuclear magnetic resonance (MAS NMR) spectra of TiO_x/SiO₂ catalysts suggest the interaction of surface TiO_x. species with Si-OH groups of the silica. Simultaneously, Ti-OH groups from surface titania species appear. The distribution of TiO_x species over SiO₂ is non-uniform, since a considerable part of surface OH groups remains unreacted with supported titania. Supported vanadia species interact both with Si-OH and Ti-OH groups. ⁵¹V NMR spectra suggest the interaction of vanadia with supported titania species and show the non-uniform distribution of titania over the SiO₂ surface. Deposition of titania as well as vanadia produces strong electron-accepting (Lewis) sites which interact with the terminal N atom of adsorbed N₂O molecules, resulting in a downfield shift of the resonance in ¹⁵N NMR spectra. The acid strength of electron-accepting sites is similar in both cases. Only about 10% of the total amount of supported titania and vanadia create Lewis sites.     

One- and two-dimensional solid-state magic angle spinning NMR studies on the hydration process of layered sodium disilicate SKS-6

Three different kinds of silanols, which include isolated silanol, silanol I (with the hydroxyl proton bonded to an oxygen atom in the adjacent layer) and silanol II (with the hydroxyl proton bonded to the non-bridging oxygen at the same silicon atom), are generated during the hydration process of SKS-6 (δ-Na₂Si₂O₅). ¹H–¹H nuclear Overhauser enhancement spectroscopy reveals that the proton of silanol I has an effective chemical exchange or spin diffusion with the proton of hydrogen-bonded water, while the proton of silanol II is likely far away from the other proton-containing species. ²⁹Si magic angle spinning, ¹H→²⁹Si CP/MAS NMR and ¹H–²⁹Si phase-modulated Lee–Goldburg decoupled correlation experiments demonstrate that the local environments of the silicon sites in the final hydrated sample are mainly composed of Q² [(SiO)₂Si(OH)O⁻Na⁺], Q³ [(SiO)₃Si(OH) and (SiO)₃SiO⁻Na⁺] and Q⁴ [Si(OSi)₄] groups.     

Characterization of polyalkylvinyl ether phases by solid-state and suspended-state nuclear magnetic resonance investigations

Pure organic polyalkylvinyl ether phases were synthesized by suspension polymerization using different ratios and compositions of n-butylvinyl ether (C₄VE) and n-octadecylvinyl ether (C₁₈VE) with triethylene glycol divinyl ether or divinylbenzene as crosslinkers, respectively. These phases were investigated by means of solid-state ¹³C cross-polarization magic angle spinning nuclear magnetic resonance (NMR) spectroscopy and ¹H high-resolution magic angle spinning (HR MAS) NMR spectroscopy in suspended-state. A comparison of these two methods showed the substantial advantages of ¹H HR MAS NMR measurements. Structure elucidation was achieved using a 2D H,H-COSY NMR experiment performed under MAS conditions enabling full peak assignment of the ¹H NMR spectra of these phases. The dynamic behavior of the polyalkylvinyl ether phases was determined by employing temperature-dependent measurements of spin–lattice relaxation times (T₁) as well as accumulation of a 2D wide line separation NMR spectrum.     

The surface structure of catalysts activated with hydrogen donors as elucidated by multinuclear solid-state NMR

¹H, ²⁷Al and ³¹P MAS, and ¹³C and ²⁹Si CP/MAS NMR spectroscopies, were used to characterize catalysts of Pd supported on various solids including SiO₂, AlPO₄ and Mg₃(PO₄)₂ that were activated with the chiral hydrogen-donor limonene. The above-mentioned techniques were used to check for the formation of an organopalladium complex between Pd²⁺ atoms and the olefin bonds in the limonene molecule on the catalyst surface. The results are compared with those obtained for catalysts activated in a hydrogen stream.     

铕离子对tRNAPhe结构影响的NMR研究

采用NMR波谱方法研究了溶液中铕离子对酵母苯丙氨酸转移核糖核酸(phenylalanine transfer ribonucleic acid,简称tRNA^Phe)结构和构象变化的影响.Eu³⁺离子对tRNA^Phe亚胺质子范围的¹H NMR谱具有特殊的影响,酵母tRNA^Phe亚胺质子谱作为Eu³⁺浓度函数的研究表明位于扩大二氢尿嘧啶螺旋(D-螺旋)的端梢三级碱基对G₁₅·C₄₈明显地受加入Eu³⁺的影响(向低场位移0.85);堆积在G₁₅·C₄₈上的U₈·A₁₄碱基对在存有1~2个Mg²⁺离子下亦受加入Eu³⁺的影响.酵母tRNA^Phe中可能受到Eu³⁺影响的另一亚胺质子为G₁₉·C₅₆三级碱基对,由于G₁₉·C₅₆的亚胺质子共振位于高度叠加的12.6与12.2之间,其归属仅供参考.该碱基对有助于D-环对TΨC环的联接.配位Eu³⁺引起tRNA分子构象的变化并且导致一些谱峰向高场或低场位移.     

CO吸附和加氢反应过程的原位高压MAS NMR研究

应用原位变温高压MAS核磁共振技术,对比研究了CO在不同Rh基催化剂上的吸附和加氢反应过程. ²⁹Si MAS NMR研究结果表明：Rh基催化剂中加入金属助剂后,载体Silicate-1上的表面硅羟基减少,助剂金属与硅羟基作用锚锭在载体表面.¹³C MAS NMR研究结果表明：当引入CO/H2混合气后,在Rh/Silicate-1催化剂上只能观测到气相CO、线式吸附CO和孪式吸附CO的快速交换信号;而在Rh-Mn/Silicate-1和Rh-Mn-Li/Silicate-1催化剂上,还观测到了倾斜式吸附的CO共振信号,表明助剂Mn或Mn-Li的加入促进了CO的吸附. 随着反应温度升高,CO/H₂在Rh/Silicate-1催化剂上转化生成CO_²,进一步升高温度会有CH₄生成;而CO/H₂在RhMnLi/Silicate-1催化剂上反应活性更高,在较低的温度下就会转化生成CO₂,但未观测到甲烷的生成. ¹H MAS NMR 谱显示,反应后载体Silicate-1上硅羟基的量会减少,表明CO与载体部分表面硅羟基反应生成了CO₂.