純硅分子篩的制備過程往往需要使用有毒氟化物、復雜后處理的脫鋁晶種、含氟合成的純硅晶種等。這帶來了一系列環境和經濟方面的挑戰，限制了純硅分子篩的廣泛應用。11月7日，記者從中國科學院大連化學物理研究所了解到，該所郭鵬研究員、劉中民院士團隊基于對分子篩微觀結構的理解，將上述難題逐一破解，開發出一種在無氟無晶種條件下合成純硅分子篩的通用新方法。
據了解，純硅分子篩在石油化工行業具有潛在的應用價值，可以用在吸附分離、催化等領域。純硅分子篩的制備通常采用傳統的水熱合成法。該方法是將硅源、有機結構導向劑、水、氫氟酸等反應原料以適當的比例混合在高壓釜中進行晶化，從而獲得純硅分子篩。傳統水熱合成法制備純硅分子篩所需結晶時間較長，并且難免會使用氫氟酸。氫氟酸具有極強的腐蝕性，對生產設備和操作人員來說都存在較大風險。
郭鵬介紹說：“關于純硅分子篩水熱合成法，研究者們已經做出了許多努力，目前主要發展為兩條路徑，其一是直接使用氫氟酸，其二是使用純硅晶種來誘導結晶。而純硅晶種的制備又需要氫氟酸參與或由硅鋁分子篩經酸處理脫鋁制備。”
“分子篩的性能與其微觀晶體結構密切相關。為了在純硅分子篩制備過程中徹底消除氫氟酸帶來的風險，我們基于在分子篩結構表征方面的經驗，對純硅分子篩結構特征從微觀層面上進行了研究，深入理解氟離子在純硅分子篩中穩定特定結構單元的導向機制，終于開辟了一條在無氟無晶種條件下合成純硅分子篩的綠色新方法。”郭鵬解釋道。這種方法被命名為“有機結構導向劑不適配法”。
該方法是研究人員通過篩選出新的硅源，即富含四元環的SOD型純硅分子篩，并選取與硅源結構不適配的有機結構導向劑而創建的，可以快速合成CHA、?BEA等15種純硅分子篩目標產物。這種新方法既提高了合成效率又具備普適性，解決了傳統氟體系水熱合成純硅分子篩所帶來的環境和經濟問題。
隨后，研究人員通過三維電子衍射和高分辨成像等技術，探究了CHA和?BEA兩種重要純硅分子篩的結晶機理。對有機結構導向劑不適配法合成的純硅分子篩的性能進行研究，他們發現純硅CHA分子篩具有分離丙烷和丙烯的性能;而純硅?BEA分子篩經直接離子交換法負載鋅物種后，可作為丙烷直接脫氫催化劑。
“在含氟體系下制備的純硅?BEA分子篩負載鋅物種比較困難，孔道內氟陰離子與有機結構導向劑陽離子平衡作用，鋅陽離子無法直接進行交換。但我們用新方法制備的純硅?BEA分子篩，孔道內不含氟陰離子，可以實現鋅陽離子與有機結構導向劑陽離子的直接交換，并且骨架的硅羥基可以穩定鋅物種，從而制備出負載鋅物種的分子篩催化劑?！惫i進一步解釋道。
郭鵬也談到了未來的工作計劃。他表示，目前通過新方法制備出純硅分子篩的拓撲結構都已經報道，希望通過此項研究工作的進一步開展，可以制備出具有全新拓撲結構的純硅分子篩。
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