徐如人院士:分子筛科学前沿进展与凝聚态化学新学科


发布时间:

2023-11-22

转自:中国科学杂志社 2022年10月

作者 |闫文付(吉林大学教授)翻译 |张冰姿NSR科学编辑)

分子筛是一类晶态微孔材料,其骨架由四面体单元TO4(T=Si, Al, P等)或少部分由TO5、TO6单元组成。分子筛因其独特的多孔结构和功能,成为石油化工、煤化工中重要的催化剂,也是脱水、分离和CO2捕集等过程中重要的吸附剂。吉林大学徐如人院士是中国、亚洲乃至世界分子筛科学领域的引领者,中国无机合成学科的创始人,也是世界上首次提出现代无机合成化学学科的科学家。自20世纪70年代中期起,徐先生一直致力于分子筛科学研究,为领域发展作出了重大贡献,于2017年获得“中国分子筛终身成就奖”。

最近,《国家科学评论》(National Science Review,NSR)就分子筛领域的新进展和未来发展前景等问题采访了徐如人院士。本次采访恰逢徐先生90华诞,谨以此文献上祝福,并致敬他在分子筛科学、现代无机合成化学和凝聚态化学新学科方面作出的突出贡献。

徐如人院士

NSR:能否请您介绍一下分子筛与多孔材料的发展历史,以及吉林大学团队对分子筛与多孔材料的发展所作的贡献?

徐如人:1756年,瑞典矿物学家Axel Fredrik Cronstedt首次提出“沸石”一词,来命名一种在快速加热时能产生大量水蒸汽的新型矿物。20世纪50年代,联合碳化物公司的R.M.Milton在水热条件下首次合成了具有微孔骨架结构的沸石分子筛。自此,人们一直在努力探索与开拓新型分子筛和相关多孔材料。从孔径小于2.0 nm的分子筛,逐渐拓展到孔径在2.0-50 nm之间的介孔材料(包括介孔聚合物和介孔碳材料)、多孔金属有机框架材料(MOFs)和有机多孔材料(如多孔芳香框架材料,PAFs)等,大大丰富了多孔材料的范畴,使多孔材料成为材料科学的一个重要研究领域。

20世纪70年代中期以来,吉林大学无机合成与制备化学国家重点实验室的研究团队一直致力于分子筛研究,最初侧重于分子筛晶化机理的研究,随后合成了杂原子分子筛和新骨架元素的微孔化合物。最广为人知的,如合成出具有最大20元环孔结构的磷酸铝JDF-20,目前唯一一例具有Brönsted酸性的磷酸铝分子筛AlPO-CJB1,以及具有JRY结构的手性杂原子磷酸铝分子筛MAPO-CJ40。这些都是由中国科学家成功合成且首次发现的分子筛结构。

分子筛研究领域的国际同行普遍认为,吉林大学团队开发了大量结构、组成丰富的分子筛,在国际上处于引领地位。这些研究成果也被称为领域发展上的第三个里程碑。我们的研究团队被国际同行称为Jilin Group”,在国际上享有盛誉。团队的代表人物如吉林大学的于吉红院士和浙江大学的肖丰收教授。于吉红在定向设计和分子筛的分子工程学研究方面取得了很大成功,尤其是首次发现了羟基自由基加速分子筛成核的晶化机制。她还开发了分子筛在催化、分离和储能方面的新应用。肖丰收教授成功开发了分子筛绿色合成路线,即无模板无溶剂路线和高效协同催化体系。90年代,我们组的两位博士霍启升赵东元加入了加州大学圣特芭芭拉分校G.D.Stucky教授的研究团队,并作为主要骨干开辟了“介孔材料”研究领域。裘式纶教授对MOFs、共价有机框架(COFs)膜的早期发展,朱广山教授在系统研究PAFs以及在开发具有吸附、分离和催化作用的PAFs和COFs方面都作出了突出贡献。21世纪初,复旦大学赵东元院士率领其团队在国际上率先提出了有机-有机自组装的新思路,用于构筑有序介孔聚合物和碳材料,且将其应用于大分子催化、吸附分离、纳米组装与生物化学等体系中。他们的研究成果极大地推动了多孔材料研究的发展,为分子筛研究领域作出了重要贡献。

NSR:近几年您又致力于推动凝聚态化学和凝聚态工程学的建设,能否请您谈谈什么是凝聚态化学,什么是凝聚态工程学,以及其同现代化学科学的关系?

徐如人:19世纪早期以来,已经有一亿九千多万种有机和无机物质被发现并见诸于科学文献。这些物质有些是天然的,大部分是人类通过化学反应合成得到的。化学反应是化学科学的核心。按照传统化学的观点,化学反应的主体是分子、原子、离子等基本粒子。然而实际上,参加化学反应的分子、原子或离子均存在于参加反应物质的凝聚态中,如固态、液态、熔态、介观态以及生物凝聚态等。因而,化学反应的进行与结果不单受制于这些基本粒子的结构与组成,还应取决于复杂的、很可能是多层次结构的物理和化学环境,统称为凝聚态[1-3]。也就是说,物质的凝聚态才是化学反应的主体。这不仅适用于固体和液体,也适用于气体分子,因为绝大多数气体分子间的反应只能在具有特定凝聚态的催化剂的作用下进行,或在极端反应条件下发生状态转变后发生。反应过程、机理和反应产物可能主要取决于凝聚态催化剂的组成和多层次结构。

为了更精准地了解化学反应,我们需要建立一门新的化学学科,即凝聚态化学,以便更好地研究与认识凝聚态化学反应的实际反应过程,并建立复杂环境中反应物的官能团、多层次结构与性质之间的联系,为建设功能凝聚态的分子工程学提供基础。我预计大数据和基于人工智能的机器学习技术很可能在过程中发挥不可或缺的作用,因为我们需要从反应物、反应过程和反应产物的可用数据以及反应条件中提取出普适性的原理和规则。这个过程我们可能可以借鉴凝聚态物理学的原理和知识。

NSR:您认为分子筛与多孔材料领域重要的研究前沿方向有哪些?

徐如人:我认为这个领域重要的前沿方向包括:(1)分子筛和相关多孔材料的合成、表征和功能的理论研究和新功能分子筛的开拓;(2)具有特定功能的分子筛与多孔材料的结构设计与定向合成;(3)发展多孔材料的凝聚态工程学,包括以特定凝聚态的功能导向进行结构设计和定向构筑(即定向合成、精准制备与自组装路线)。

NSR:能否请您谈谈分子筛与多孔材料同凝聚态化学之间的关系?

徐如人:以具有特定催化功能的分子筛为例,其合成与制备阶段以及催化过程都涉及复杂的凝聚态化学。反应条件下特定凝聚态催化材料的组成与多层次结构,活性中心的局部微环境、活性组分与特定结构载体间的强相互作用等,决定了催化机理、过程、产率、副反应和产物类型等。如分子筛催化剂的晶化过程,一般在水(溶剂)热条件下进行,液态溶液的组成与结构将影响在其中进行的反应物间的缩聚、胶态的形成与组成、在模板作用下胶态的晶化以及晶化产物的结晶度等。这些问题都需要在凝聚态化学的层面上进行研究。研究这些问题也将推动凝聚态化学的发展。

NSR:如何实现具有特定功能的分子筛与多孔材料的结构设计与定向合成?

徐如人:一种可能的方法是通过加强凝聚态工程学(功能凝聚态的分子工程学)的建设,结合人工智能技术挖掘、建模大数据,建立物质凝聚态的功能-结构-构筑间的关系与规律。通过建立这些关系,我们以特定功能为导向,设计凝聚态分子筛的组成和结构,从而实现相关分子筛的定向合成和精准制备/修饰。我国凝聚态工程学的建设始于90年代初国家攀登项目资助的“分子工程学的建设”项目,主要研究成员包括北大唐有祺教授和我领导的两个研究小组,以及其他四所大学和两个研究所的多位科学家。这些项目持续了二十五年,前十年由攀登项目资助,后十五年由“973项目”资助。通过这些项目,我们获得了大量的知识和经验,并为当前凝聚态工程学的发展奠定了基础。

NSR:对于工作在分子筛与多孔材料领域的年轻学者,您有什么期许和建议?

徐如人:分子筛及其相关多孔材料都是极为重要的材料,具有巨大的应用潜力。在这里,我鼓励从事这一领域研究的年轻学者在开发具有新功能的新型多孔材料、探索多孔材料新应用、研究凝聚态下具有特定多层级结构物质的定向构筑和精确制备时,多从凝聚态化学与物理的角度去思考问题。这些新知识将成为凝聚态化学在其他化学领域迅速发展的基础和方向。

【参考文献】

1.XuR.Natl Sci Rev2018; 5: 1.

2.XuR, Wang K and Chen Get al.Natl Sci Rev2019; 6: 191–4.

3.XuR, Yu J and Yan W.Prog Chem2020;32: 1017–48.


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