催化材料在工作条件下的表征对于催化反应体系的真实描述和机理理解至关重要。在工作的相关环境下，催化剂往往表现出在标准光谱条件下无法观察到的性质或反应活性。在高温高压等恶劣环境下工作对固态核磁共振来说是一个巨大的挑战，因为在固态核磁共振中，样品在强磁场中每秒旋转数千次。为了解决对光谱环境和操作条件之间差异的问题，新的MAS NMR技术已经被开发出来，可以在较宽范围的压力、温度和化学环境下探测催化体系。近日，美国西北太平洋国家实验室Jian Zhi Hu等人合作在简要介绍了在原位实时MAS NMR发展过程中克服技术挑战的相关工作研究进展，重点将放在探索利用新发展的独特化学体制。随着研究的进展，现在已经可以对各种核成分(¹H、¹³C、²³Na、²⁷Al等)周围环境的结构和动力学进行研究，并评估时间分辨率的相互作用和转换。Operando和原位NMR可以直接观察催化活性位点的化学成分及其相互作用(比如沸石中的Brønsted酸性位点)，揭示催化条件下活性位点的本质。此外，这些成分的混合物也可以被评估，以揭示活性位点在生成副产物(如水)时的变化。这些相互作用在一定的温度范围内(-10到230℃)和压力范围内(真空到100 bar)都可以观察到。当与2D NMR、计算建模或两者结合时，吸附态提供不同的特征可用于识别特定的结合模式。除了气相化学环境外，还可以引入气体环境，并在较大范围内调节压力，以支持需要H₂、CO、CO₂等的催化研究，也可采用三相混合物。这些反应可以在原位监测，以揭示在研究过程中底物、活性位点、中间体和产物的变化。此外，原位核磁共振与同位素标记方法的结合可以用于揭示具体的反应机制。此外，还将介绍将operando MAS NMR扩展到研究与能量存储系统和生物医学系统相关的固体电解质界面和溶剂化结构，以突出这一强大技术的通用性。

Nicholas R. Jaegers; Karl T. Mueller; Yong Wang; Jian Zhi Hu. Variable Temperature and Pressure Operando MAS NMR for Catalysis Science and Related Materials. Accounts of Chemical Research, 2020.

DOI: 10.1021/acs.accounts.9b00557

https://doi.org/10.1021/acs.accounts.9b00557