プロトンが分子ふるいの結晶化を制御する仕組みを解明(Scientists Reveal How Protons Control Molecular Sieve Crystallization)

2026-10-10 中国科学院(CAS)

中国科学院大連化学物理研究所と南開大学の研究チームは、プロトン(水素イオン)が分子ふるいの結晶化を制御する仕組みを解明した。研究成果は学術誌『Journal of the American Chemical Society』に掲載された。研究チームは、超高速オペランド二次元固体核磁気共鳴(NMR)法と理論シミュレーションを組み合わせ、アルミノリン酸塩やシリコアルミノリン酸塩の結晶化過程を解析した。開発した手法では、高品質な二次元相関スペクトルをわずか30秒で取得できる。解析の結果、水酸基による加水分解と、有機構造規定剤による鋳型形成が交互に働き、前駆体の再編成と核生成を制御する二つの経路が明らかになった。また、プロトン化によって活性化エネルギーが低下し、骨格形成に必要な縮合反応が促進されることを確認した。さらに、核生成の促進と結晶面の選択的安定化により、シート状や棒状の分子ふるいを形成できた。本研究は、触媒材料や多孔質材料の結晶構造・形態を合理的に設計するための新たな指針となる。

プロトンが分子ふるいの結晶化を制御する仕組みを解明(Scientists Reveal How Protons Control Molecular Sieve Crystallization)
Proton-mediated host–guest interactions during molecular sieve crystallization revealed by ultrafast operando 2D solid-state NMR and GGNN potential methods. (Image by WU Daoning)

<関連情報>

プロトンを介したホスト-ゲスト相互作用が分子ふるい結晶化における核形成と形態変化を制御する Proton-Mediated Host–Guest Interactions Direct Nucleation and Morphology Evolution in Molecular Sieve Crystallization

Daoning Wu;Sicong Ma;Lixin Liang;Yury G. Kolyagin;Yankai Bian;Tongyao Wang;Quanzheng Deng;Lu Han;Olivier Lafon;Jean-Paul Amoureux;Guangjin Hou;Weili Dai
Journal of the American Chemical Society  Published:September 29, 2026
DOI:https://doi.org/10.1021/jacs.6c12306

Abstract

The crystallization of aluminophosphate (AlPO4–n) and silicoaluminophosphate (SAPO-n) molecular sieves under acidic conditions represents a significant mechanistic departure from well-established alkaline routes for zeolites. Here, we elucidate how protons actively gate the nucleation and growth of AlPO4–n /SAPO-n frameworks. By integrating ultrafast operando two-dimensional (2D) solid-state NMR (acquiring high-quality 1H–27Al HMQC spectra in just 30 seconds) with density functional theory (DFT) simulations, we resolve a proton-mediated dual-channel gating mechanism: under acidic conditions, protons lower the kinetic barrier for P–O–Al condensation from 0.63 to 0.25 eV while simultaneously increasing the thermodynamic driving force for framework assembly, thereby markedly accelerating nucleation. Operando NMR further reveals an alternating dominance between water/hydroxyl-driven hydrolysis and OSDA-driven templating, a dynamic gating that directs the conversion of amorphous precursors into ordered nuclei via a reversibly formed interfacial intermediate. Moreover, the protonation effect enables selective facet stabilization by acetate species, steering crystal morphology from cubic to nanoscale sheet-like or rod-like architectures across diverse topologies (AFI, CHA, AEI). Our findings redefine acidity from a passive reaction medium into an active director of zeolite crystallization pathways, establishing it as a designable parameter in nucleation theory and providing a rational basis for engineering molecular sieves with controlled morphologies and framework topologies.

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