沸石分子筛限域的金属催化剂是新一代多相催化材料，在加氢、脱氢、氢甲酰化等重要反应中展现出超越传统负载型催化剂的优异性能。然而，金属物种在分子筛三维孔道中的空间构型如何影响催化选择性的微观机制仍是未解之谜。

近日，清华大学化工系王铁峰和蓝晓程团队在原子尺度上识别并量化了铂（Pt）物种在MFI型沸石（Silicalite-1）中形成的两种截然不同的三维微环境，并提出“分子井”（molecule-well）机制，揭示了其如何通过空间位阻精准调控不饱和醛吸附构型，进而实现目标产物不饱和醇的高选择性。

研究团队将Pt以亚纳米团簇（~0.8 nm）和纳米颗粒（~3.6 nm）两种形式封装于Silicalate-1沸石内部。令人意外的是，在具有挑战性的小分子不饱和醛——3-甲基巴豆醛（3-mCRAL）加氢反应中，两种催化剂的选择性表现出显著差异：Pt团簇催化剂对目标不饱和醇的选择性不足5%，而Pt纳米颗粒催化剂的选择性却高达80%以上。

图1. 两种不同三维环境的Pt-分子筛催化剂

这一反直觉的现象促使团队深入探索沸石内部金属物种的局部环境。研究团队发现：亚纳米Pt团簇主要锚定在MFI沸石的正弦孔道内，反应物分子可通过“通道可达（channel-access）”模式自由接近Pt位点，C=C键优先吸附，导致饱和醛副产物占主导；而较大的Pt纳米颗粒则与沸石骨架形成类似“分子井”的受限空间——反应物分子只能通过狭窄的“井口”接近Pt位点，C=C键的吸附因空间位阻而被显著抑制，C=O键吸附成为主导路径，从而实现了目标产物不饱和醇的高选择性。

图2. （a）反应性能差异；（b）DFT计算吸附能；（c-d）Pt亚纳米团簇与分子筛形成的空间环境；（e-f）Pt纳米颗粒与分子筛形成的空间环境

DFT计算进一步量化了这一“分子井”效应的几何要求。对于尺寸较大的3-甲基巴豆醛，当尝试以C=C键构型进入“分子井”时，分子末端甲基与沸石骨架发生空间冲突，导致吸附能为正值（即无法稳定吸附）；而以C=O键构型吸附时，分子得以稳定进入井中。这种吸附构型的差异，进一步通过原位红外光谱实验得到了验证。该研究为理解金属-分子筛催化剂中三维空间结构与催化反应性能的关系提供了新思路。

研究成果以“铂-沸石分子井调控分子吸附以实现高选择性加氢”（Molecule-well in platinum-zeolite engineers molecular adsorption for highly selective hydrogenation）为题，于6月22日发表于《自然·通讯》（Nature Communications）。

清华大学化工系助理研究员蓝晓程为论文第一作者和共同通讯作者，清华大学化工系教授王铁峰为论文共同通讯作者。论文共同作者还包括化工系2021届本科毕业生范顺鑫、2024级博士生黄志祥、2022级博士生槐梦娇和2024级硕士生刘德怀。

相关研究得到了国家自然科学基金和鄂尔多斯实验室的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-026-74213-7