让燃油更环保，也让空气更干净！烟台大学团队破解大分子催化难题

齐鲁晚报·齐鲁壹点 李楠楠 通讯员 王安然

燃油氧化脱硫技术因脱硫率高、反应条件温和等特点，被称为面向21世纪的绿色脱硫工艺。然而，氧化脱硫技术的产业化长期面临一个关键科学问题：在大分子底物液相催化氧化中，活性组分要高度稳定分散，载体孔道又要足够通畅，二者难以兼得。

近日，烟台大学化学化工学院吕宏缨/朱志国团队与华东师范大学吴鹏/徐浩团队合作，找到了破解这一难题的新路径——通过精准捕获Mo-FAU向Mo-Beta沸石晶间转化过程中的亚稳态非晶中间体，成功构建Mo-胚胎沸石催化剂（Mo-AZ），并系统揭示了其结构特征、构效关系与催化机制。相关成果发表于国际化学领域顶级期刊Angewandte Chemie International Edition。烟台大学为该论文第一完成单位，研究生孙嘉贺、左峰源为论文共同第一作者，朱志国、肖波、吴鹏、徐浩为论文通讯作者。

吕宏缨/朱志国团队合影。

突破，化“缺陷”为“利器”

通俗地说，这项研究就是让燃油更环保，也让空气更干净。“研究团队做的事情，就是在沸石分子筛晶化完成之前的一个中间状态按下‘暂停键’，找到一种既固定得牢、门口又够宽的催化材料。”吕宏缨说。然而，采用高比表面的传统载体（活性炭、无定形二氧化硅等），表面积虽大，但氧化钼分散不好、反应中易团聚或流失；用晶态微孔分子筛（如 ZSM-5、Beta），虽然能把氧化钼限域得尺寸很小，但本征微孔尺寸太小，大分子进不去也出不来，氧化反应被限制在扩散控制区，活性位再优秀也发挥不出来催化效应。

研究团队决定换一个思路，不在“晶态的材料库”里挑，而是回到分子筛生长过程本身去找。FAU转晶为Beta的过程中，母体先溶解、溶液中低聚物过饱和、再成核、晶体长大，中间要经过一个亚稳态的无定形中间体，恰好同时继承了两边的优点。朱志国解释道，“它保留了分子筛的短程有序结构单元——我们在拉曼光谱中辨认出四元环、五元环、六元环，其中五元环正是Beta的特征构建单元，同时又拥有丰富的介孔网络和超高密度的硅羟基缺陷。”

介观网络对传质动力学的调控规律。

研究最关键的一步，是把分子筛转晶过程“定格”住。分子筛转晶是一个动态的溶解-再晶化级联过程，中间相只存在于一个很窄的时间窗口内。晶化时间太短，母体Y分子筛尚未充分溶解，介孔和硅羟基富集都不够；时间过长，无定形中间体就继续晶化为Mo-Beta，介孔塌缩、硅羟基消失，“两难困境”又回来了。团队系统考察了晶化动力学，最终确定晶化1h的样品结构与催化性能最优。通过精细控制水热晶化时间，得到 Mo-AZ催化剂。在60℃、常压这样温和的条件下，氧化脱硫反应的转化频率达到16.4 h⁻¹，显著优于晶态的Mo-Y（12.1 h⁻¹）和Mo-Beta（11.0 h⁻¹）。

“我们不是把两种材料的优点‘拼’在一起，而是找到了分子筛演化过程中一个天然同时具备这两种优点的中间状态。”朱志国表示，这一结果的核心突破，在于彻底打破了“无定形即为失败材料”的传统偏见，确立了“缺陷即功能位点”的全新设计原则。正是这一理念上的突破，让同一个材料里既能牢牢锚定亚纳米活性组分，又能保持畅通的介孔扩散通道，把一个被普遍认为“不可兼得”的矛盾，变成了可以同时获得。

价值，产业化应用潜力大

这项成果最重要的价值是什么？在朱志国看来，首先体现在科学层面，它把一个被普遍认为“不可兼得”的矛盾，变成了可以同时获得。“过去分散和传质只能二选一，现在通过胚胎沸石介导的缺陷工程，同一个材料里既能牢牢锚定亚纳米活性组分，又能保持畅通的介孔扩散通道。”朱志国表示，研究提出的“胚胎沸石介导的缺陷工程与传质调控”范式，具有较大的推广价值——凡是涉及大分子的液相催化，如生物质转化、高级氧化等，都可能受益。

性能上综合优势突出、适配性强。本征活性更高：转化频率TOF达16.4 h⁻¹，高于完全结晶的Mo-Y（12.1 h⁻¹）和Mo-Beta（11.0 h⁻¹）；与文献中代表性体系相比，本工作在“氧化剂经济性”与“本征活性”两项指标上同时占优。条件更温和、抗干扰更强：60℃、常压下即可实现深度脱硫；模型油中加入萘（0–5000 μg mL⁻¹）和吲哚（0–50 μg mL⁻¹）几乎不影响脱硫效果。稳定性好：五次循环脱硫性能不衰减，使用后催化剂结构保持完整。

在应用成本方面，具备良好的工业化性价比。催化剂不含贵金属，选用工业通用双氧水（30wt%）作为催化剂，且O/S比值控制在2的经济用量区间。真正的成本敏感点，是真实工况下的长周期寿命。

吕宏缨、朱志国指导团队成员介析催化剂表征数据。

“这项研究工作目前处于‘实验室原理与指标已经夯实、工程化刚刚起步’的阶段。”吕宏缨介绍道，“此项工作中间还有几道必须要过的关：催化剂成型与放大（公斤级）、真实油品体系（多种硫化物共存，并含氮化物、烯烃、芳烃）中的验证、连续固定床或连续流工艺中数百小时的寿命考核，以及与炼化企业的联合中试。这是团队后续工作的重点。”

协同，共同定义一个问题

这项成果是烟台大学团队与华东师范大学团队合作完成的。烟台大学团队承担了从催化剂设计、合成与结构调控，到物理化学表征、催化性能评价、动力学与机理研究及论文初稿撰写的全部实验主线；华东师大团队依托石油分子与过程工程国家重点实验室，在选题科学凝练、分子筛材料设计思路、关键表征与论文概念把握上提供重要支持。合作并非从交换样品开始，而是从“共同定义一个问题”开始——双方先在学术讨论中厘清“扩散—分散”矛盾，再依据各自长处分工。“跨校合作最怕各做一半、拼在一起，最好的状态是双方都完整理解同一个科学问题，各自贡献对方暂时不具备的能力。”朱志国说，“在我们这项工作中，就是扎实的催化实验、动力学证据与分子筛材料的学术凝练与判断的互补。”这种跨校协同、开放共享的合作模式，也为团队后续攻关提供了有力支撑。

孙嘉贺和左峰源两位研究生是本文的共同一作，分别侧重“材料端”和“反应端”，构成互补的两部分。为确定1h这个晶化条件，他们对每个时间点都做完整结构表征与性能评价，合成了大量时间序列样品。孙嘉贺说：“催化剂的性能差异往往不在最显眼的地方，而在那些被视作缺陷的细节里。把每一个反常的数据点追下去，最后变成了整篇文章最关键的一段论证。”左峰源说：“最难的其实不是某一次实验，而是在反复失败的时候保持耐心。团队的通力合作和老师们的指导，让我们渡过了最难的那段日子。”吕宏缨对此表示，青年科研人员的培养，重在塑造深耕硬核难题的科研定力，依托稳定的团队与项目支撑持续深耕，助力青年研究者快速成长。

团队开展集体研讨。

目前，团队发表高水平论文60余篇、总引用超4000次，相关成果被国际化工和催化领域权威期刊广泛引用和评述。申请授权国家发明专利10余项，转化1项。承担国家、省、市自然科学基金，及省青创科技支持计划、省重点研发计划等项目10余项。2021年团队成果“多金属氧化物/低共熔溶剂的结构调控与催化性能”获得山东省自然科学二等奖，同年吕宏缨教授荣获“烟台市有突出贡献的中青年专家”称号，团队2023年获“烟台最美科技工作者”称号，吕宏缨教授（2022-2026）和朱志国副教授（2025-2026）连续多年入选“全球前2%顶尖科学家”榜单。

“荣誉对团队而言更像是过程中的记录，最看重的还是问题导向、长期主义和开放共享的科研文化。”朱志国说，“坚持从国家和行业真问题出发选题；坚持在一个方向上持续深耕，不追热点、不换赛道；坚持开放共享，跨校、跨课题组、跨学科合作。”吕宏缨表示，未来，团队将持续深耕绿色催化核心领域，联合行业龙头企业、科研院所，坚持产学研深度融合，为绿色化工、清洁能源领域的技术革新与产业升级贡献科研力量。