近日，中國科學院大連化學物理研究所低碳催化與工程研究部（DNL12）郭鵬研究員和劉中民院士團隊通過精確調控有機結構導向劑，合成了一種全新小孔磷鋁分子篩DNL-17，并采用先進的三維電子衍射技術解析其復雜的晶體結構。
磷鋁（AlPO）分子篩是由磷氧四面體和鋁氧四面體通過共氧頂點相互連接而成、具有規則孔道或籠狀結構的晶態磷鋁酸鹽材料。其中，具有三維貫穿孔道的小孔AlPO分子篩因其在氣體選擇性吸附和能量儲存方面的獨特能力而備受關注。目前，合成這類全新三維小孔AlPO分子篩主要面臨兩個挑戰，首先是對有機結構導向劑（OSDA）導向機制理解的缺失；其次，由于AlPO分子篩的晶體尺寸通常在微納米甚至納米級別，傳統的單晶X射線衍射（SC-XRD）方法難以有效解析分子篩骨架結構和主客體相互作用，在一定程度上阻礙了全新分子篩的探索合成。
本工作中，科研人員選用雙頭季銨鹽作為OSDA，通過對其碳鏈長度和端基尺寸進行精細調控，合成了一種全新納米級小孔磷鋁分子篩，并將其命名為“DNL-17”。團隊進一步利用三維電子衍射技術直接確定了DNL-17的復雜晶體結構。研究發現，DNL-17屬于ABC-6家族，具有小孔8×8×8元環三維貫穿孔道，其骨架結構中包含四種不同類型的分子篩籠（d6r、can、eri和cha），并且沿c軸方向形成了多達24層的復雜堆垛序列（AABAACAABBCBBABBCCACCBCC）。結合理論計算和固體核磁碳譜表征結果，科研人員揭示了DNL-17合成過程中，OSDA采用不同構象來穩定不同分子篩籠。這一發現證實了OSDA可以通過不同構象構建全新磷鋁分子篩結構，為新型分子篩的設計合成提供了新思路。此外，研究還發現DNL-17在正丁烷和異丁烷分離過程中表現出了良好的選擇吸附性能。
郭鵬和劉中民團隊長期專注于電子晶體學（包括三維電子衍射和高分辨成像技術）表征方法的開發和應用，在納米尺寸晶態多孔材料的結構解析（Angew. Chem. Int. Ed.，2021；Angew. Chem. Int. Ed.，2023；Nat. Commun.，2023；Nat. Commun.，2025；Chem. Soc. Rev.，2024）、基于結構導向的合成方法開發（J. Am. Chem. Soc.，2023；J. Am. Chem. Soc.，2024；J. Mater. Chem. A，2018）、分子篩構-效關系的解析（J. Am. Chem. Soc.，2023；Chem. Sci.，2021）等方面開展了系統性的研究工作。
相關研究成果以“DNL-17: A Small-Pore Aluminophosphate in ABC?6 Family with 24 Stacking Layers Unraveled by Three-Dimensional Electron Diffraction”為題，于近日發表在《美國化學會志》（Journal of the American Chemical Society）上。該工作的第一作者是大連化物所DNL1210組博士研究生乜晨陽。該成果得到國家自然科學基金等項目的資助。
