近日,我组与美国高场实验室甘哲宏博士等合作,在超高场(1.5 GHz)固体核磁共振(NMR)技术应用于固体材料表面结构表征研究中取得新进展。
氧化铝是重要的催化剂和催化剂载体,其表面的五配位铝被称为“super-five”。 五配位铝在金属活性中心分散,γ-Al2O3烧结相变,以及醇脱水反应中都起到关键作用。由于γ-Al2O3结晶度低,其表面五配位铝仅占总铝含量的3%左右,难以实现表面五配位铝的结构表征。目前,所有关于五配位铝的结构特征都是基于理论计算推测得到。
本工作中,得益于超高场条件下显著提高的27Al NMR灵敏度和分辨率,研究团队通过高场多核、多维固体核磁共振技术,直接实验观测到了五配位铝相关空间结构信息,首次揭示了γ-Al2O3表面的五配位铝以聚集态形式存在,并且在水的作用下易于发生结构重构。
研究团队制备了富含五配位铝的无定形氧化铝纳米片(Al2O3-NS)与γ-Al2O3进行对比研究,借助超高场27Al MAS NMR对Al2O3-NS和γ-Al2O3的铝物种分别进行定量分析。通过超高场的27Al-27Al DQ双量子相关实验,以及高场多核、多维固体核磁共振技术发现,γ-Al2O3表面与Al2O3-NS的不同配位铝物种的Al(n)-O-Al(n)链接方式相同,且表面羟基分布及铝与羟基的链接方式也十分相似,进而表明 γ-Al2O3 表面存在一层富含五配位铝的无定形结构。本工作有助于进一步深入理解γ-Al2O3在金属分散、催化剂烧结等应用方面的“构—效“关系。
相关研究成果以“Nature of Five-coordinated Al in γ-Al2O3 Revealed by Ultra-high Field Solid-state NMR”为题,于近日发表在ACS Central Science上,并被选为内封面论文。该工作的第一作者是赵侦超副研究员。上述工作得到国家自然科学基金、国家重点研发计划、辽宁省“兴辽英才计划”、大连市青年科技之星等项目的资助。(文/图 王瑞、赵侦超)
文章链接:https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscentsci.1c01497