通訊作者：Jeroen A. van Bokhoven1. 通過評估已公開的數據并分析產生路易斯酸性物質的不同機理，可以更好地了解沸石中的路易斯酸性位。2. 從材料的角度來看，這將更好地控制路易斯酸性鋁的生成，為目前此類沸石中難以捉摸的位置設計鋪平了道路。3. 從工藝角度看，這對基于路易斯酸性鋁和布朗斯臺德-路易斯酸協同作用的催化應用產生了明顯影響。4. 本文著手確定該領域的知識差距，并討論將來如何解決這些知識差距。沸石構成一類用于酸，堿和金屬催化反應的非均相催化劑，這些反應在一些小型到大規模的工業應用中都可以使用。它們的催化多功能性，往往得益于框架中鋁和硅的共存。可以在沸石中容納各種活性位點的可能性可以針對特定應用進行調整，這意味著沸石的工業用途是其他催化材料無法比擬的。它們可用于從石油衍生物生產增值化學品，也有可能成為生物質經濟的催化劑。生物質增值反應中的活性位點涉及布朗斯臺德酸和路易斯酸。但是，這些位點的作用至今尚未得到很好的理解。沸石中的路易斯酸位點不一定由單個結構限定，并且總路易斯酸度具有來自多個物種的貢獻。當前，研究者關于路易斯酸度起源的已經提出許多不同建議，但是每種方法在從許多研究中收集的匹配實驗數據中的適用性尚未得到評估。核心內容
有鑒于此，瑞士蘇黎世聯邦理工學院Jeroen A. van Bokhoven教授課題組提出與傳統觀念相反的觀點：路易斯酸位點的數量并不總是與骨架外鋁含量相關。要點1.路易斯酸性鋁沸石的評估建議
框架外鋁（EFAl）與沸石中路易斯酸位點的數量之間沒有相關性。利用兩個大小和強度不同的探針分子：一氧化碳和吡啶，可得到路易斯酸位點數量與骨架中八面體鋁量之間的線性關系。研究結果表明，與路易斯酸酸性骨架相關的鋁的生成與布朗斯臺德酸性位的退化同時發生，這意味著布朗斯臺德向路易斯酸性位的轉化。要點2. EFAl與路易斯酸性相關性和調節EFAl路易斯酸度的相關因素具有更多EFAl含量的沸石不一定具有更多數量的路易斯酸性物質。高溫氣化沸石研究表明，除了從框架中置換鋁之外，蒸汽還改變了EFAl的性質，從而影響了其酸度。對于調節EFAl路易斯酸度的相關因素主要包括：Si/Al比，用于脫鋁和合成后處理的方法，陽離子的性質等。 （2）路易斯和布朗斯臺德酸性位點之間的相互轉化和協同作用。研究數據表明，在許多情況下，EFAl的量與路易斯酸性位點的數量之間沒有關聯。不同的鋁種類的特性在樣品處理時易于改變。在了解路易斯酸鋁的數量，位置和結構在不斷變化的合成條件下發生變化的情況下，仍然深奧地討論了樣品處理過程中與框架相關的變化和EFAl變化的相對數量的相關研究仍舊是比較稀缺的。
此外，瓦倫西亞工業大學的Stephen Shevlin教授也通過九問九答的方式，對沸石材料在其研究背景，新冠疫情對沸石研究帶來的影響，當前所面臨的挑戰，技術應用，以及年輕研究學者的未來研究方向等方面發表了相關見解。Stephen Shevlin教授的研究方向主要為多相催化，其目標一直是了解反應機理和催化活性位點，以進行催化劑合成，并最大化定義明確的單個或多個分離位點。針對于此，具有明確的孔和腔的材料的沸石材料，通過結晶，可以在框架或額外框架位置引入定義明確的單個或多個活性位點；通過表征技術和建模等方法，可以建立構效關系；由于沸石具有與反應物尺寸相匹配的孔，因此可以利用限制作用及其對反應性的影響。除了學術研究方面，沸石材料的最大研究工作是在工業上，正是由于它們在流化催化裂化中的應用，才使該領域爆炸式增長。2）COVID-19是否對沸石的相關研究產生了影響？新冠疫情對沸石材料的研究帶來的不可避免的影響，盡管它減慢了實驗室中的研究速度，對于我們的博士生來說，拖延了他們的工作，但是我們至少是平安的，而且這也給我更多的時間和空間去思考，這意味著一些日常壓力已經釋放，這有利于產生新思想。當前，主要挑戰是要了解沸石中成核和結晶如何發生的基本機制，以及如何控制它們。如果可以將沸石從頭開始合成以進行預先確定的反應，同時將活性位點定位在框架內的適當位置，則將得到更大的回報。可以先觀察反應機理并找到潛在的過渡態（TS）。由于所需的沸石催化劑應通過優化TS與骨架的相互作用來最大程度地降低TS的能量，因此人們現在可以制備反應TS的模擬物，并將其用作沸石合成的模板或結構導向劑（SDA）。用沸石實現催化對映選擇性也是一個挑戰，比獲得手性沸石結構更好，目標是在沸石骨架內產生手性中心。要實現這些目標，就需要團隊能夠開發并整合先進的合成，表征，建模和催化反應技術。4）對于所發的眾多沸石相關專利，在發表科學研究與提交專利申請之間是否存在張力？主要的矛盾在于，在修改并至少提交專利之前，無法發表結果。這延長了報道時間。然后，當結果非常新穎并且具有重要意義時，這使我們開始感到緊張。當公司想要保留這些知識并且不允許我們發表結果時，情況變得更為糟糕。幸運的是，這種情況并不常見。5）每種格式的寫作有什么區別，以及追求“商業”研究與“純知識”研究的優缺點是什么？在科學論文中必須進行更詳細的說明，并解釋根據初始假設獲得的結果。就專利而言，重要的是結果，不是說明。在專利中，必須小心自己寫的內容或編寫方式，以免與其他專利或出版物產生沖突。關于工業研究與“智力”研究，我們會首先提出科學挑戰。如果我們成功了，我們將嘗試進一步，看看如何將我們的發現用于解決工業問題。然后，進行原理證明，如果成功，我們要么申請專利，要么與一家公司聯系并嘗試與他們進一步發展。從這個意義上講，我們與行業的合作在大多數情況下都是有益的。公司擁有非常好的研究團隊，在我們一起工作時我們也可以從中學習。在許多出版物中，作者在導言中聲稱，即使他們的工作更重要，即使成功，也可以幫助解決工業問題。我們研究所自成立以來確立的哲學是從“智力”部分到原則證明。也許這就是為什么在我們研究所構思催化劑的大約十個過程的原因。沒有太多人可以說他們發表了這一概念，獲得了專利，而工廠則使用了這項研究。
6）沸石的實際技術應用中是否存在其他材料沒有遇到的特定問題？這些問題是否可以通過理論計算的得到解決？沸石研究中使用的科學方法與其他催化劑沒有太大不同。我們必須合成使所需反應所需的活性位點最大化的結構，同時避免產生催化有害反應的位點。沸石的一個巨大優點是，通過結晶，您不僅可以對結構進行建模，還可以對可以在骨架或額外骨架位置引入的不同元素進行建模。然后，將建模與操作光譜和微動力學結合起來時，我們可以研究反應如何在活性位點發生，以及如何通過擴散，吸附和限制作用來影響反應性。但是，在與催化劑制造商聯系時，有一個問題需要解決，即使用他們擁有的工具實施沸石合成有多么容易，以及在考慮競爭技術的技術優勢和這些技術的制造成本時，經濟學如何看待新沸石。但是，今天不被視為機遇的事物，明天可以被視為另一種范式的關鍵技術。這就是研究的美麗：它增加了人類的知識，因此有助于解決當前或未來的問題。根據我們的經驗，與公司合作時會不斷進行對話。您可能想出了一個新主意，但是材料太昂貴了，然后，您必須對合成進行假設以使其更便宜，然后再次進行研究。7）沸石以具有數百萬個潛在的可能結構而聞名，但當前只能合成232個骨架。這是一個限制因素，還是工具箱中存在大量可能性？當談論起沸石工具箱時，指的是已經合成的結構。還有許多熱力學上具有可行性的沸石。不幸的是，我們仍然不具備綜合任何預先建立的特定結構的基礎知識。8）您認為石化的沸石催化將有長期的未來嗎？在其他領域（例如生物質重整）是否有突破，它們會產生巨大影響嗎？沸石的研究已經非常成功，它不僅可以從油中生產燃料，而且還可以生產大量其他化學品。碳的另一個來源是生物質，沸石在該領域發揮著獨特的作用。我們還看到沸石正在通過合成雙功能催化劑從合成氣甚至從CO2和H2制備化學品的過程中。而且，沸石是消除污染物如NOx的非常成功的催化劑。它們是非常穩定的材料，如果可以在不損害穩定性的情況下擴大其孔徑，則其吸附和催化的可能性將大大提高。我相信沸石將繼續在可持續催化過程中發揮重要作用。化學選擇性也是循環經濟中的一個關鍵詞，可以構造沸石以實現催化和分離中前所未有的選擇性。從學習的角度來看，沸石是理想的催化劑。他們匯集了合成，表征，反應性，吸收和分離技能。這是使年輕的科學家能夠發展壯大的基礎的絕佳領域，因為集合了物理化學，無機化學，有機化學和化學工程等方面。年輕研究者可以進入學術界，但他們也會在行業中受到高度贊賞。與我合作的一些博士和博士后現在是大學教授或在公司中成功工作。少數企業家創辦了自己的公司。我一直以為我的職責是使學生發揮最大的潛力。這并不容易，而且看起來我有時是一個非常強硬的人，但是后來他們欣賞了我正在嘗試做的事情。1. Manoj Ravi et al. Towards a better understanding of Lewis acidic aluminium in zeolites. Nature Materials, 2020.DOI: 10.1038/s41563-020-0751-3https://www.nature.com/articles/s41563-020-0751-32. Stephen Shevlin. Looking deeper into zeolites. Nature Materials, 2020.DOI: 10.1038/s41563-020-0787-4https://www.nature.com/articles/s41563-020-0787-4
