Temperature-controlled diffusion filter in multiscale confined spaces: exploring micro–mesoporous interfaces
Yuzhou Fan, Jiamin Yuan*, Xiaomin Tang, Zhiqiang Liu*, Anmin Zheng*
01背景介绍
在催化、吸附和分离过程中，分子能否迅速穿行于材料内部，是直接影响反应效率与产物输运的重要因素。分子筛内部的微孔（< 2 nm）具有良好的限域和择形作用，但狭窄孔道也可能限制传质。为打通传输通道、提升扩散效率，研究人员常在微孔材料中引入传质阻力更小的介孔（2–50 nm），构筑兼具两种孔道的多级孔分子筛。然而，多级孔分子筛中分子的扩散并非微孔与介孔的简单叠加，还涉及更为复杂的界面扩散过程。
为深入揭示界面对分子扩散的影响，武汉科技大学刘志强教授、郑安民教授研究团队与中国科学院精密测量科学与技术创新研究院袁家敏博士合作，于Green Carbon发表题为“Temperature-controlled diffusion filter in multiscale confined spaces: exploring micro–mesoporous interfaces”研究论文。该研究聚焦多级孔FAU分子筛中的扩散行为，深入揭示了微介孔界面对分子扩散行为的温度调控机制，为多级孔分子筛的性能研究提供了新的理论依据与研究思路。
02 文章简介
介孔并非天然“快车道”：温度决定其作用
研究人员比较了传统微孔分子筛与引入介孔后的多级孔分子筛中分子的扩散行为（图1）。结果表明，多级孔分子筛中正丁烷的扩散在低温下反而更慢；随着温度升高，介孔促进传质的优势才逐渐显现。进一步分析发现，正丁烷分子在微孔区域受到较强吸附，要进入吸附作用较弱的介孔，必须跨越相应的能量障碍。低温下，大多数分子难以完成这一跨越，原本为加速传质而设置的介孔反而可能成为扩散路径中的障碍。
图1. 多级孔分子筛扩散系数、结构及对应能垒
微介孔界面是一道“温控过滤器”
研究团队根据能量分布将孔道划分为微孔区、介孔区以及两者之间的界面区三个部分。分子轨迹与空间分布分析表明（图2），低温时分子大多停留在微孔和界面附近，真正进入介孔的数量极少；温度升高后，跨越界面的分子交换明显增加，介孔才得以参与长距离传输。因此，微介孔界面并非可以忽略的几何边界，而是调节传质效率的关键区域。温度改变分子跨越界面的机会，使这道“过滤器”在不同工况下表现出截然不同的通行能力。
图2. 不同温度下的分子空间分布和区域交换频率（从左-右：低温-高温）
揭示通行机制：碰撞、速度与方向缺一不可
研究进一步将界面附近的分子运动归纳为四种模式（图3）：微孔到介孔（M1）、介孔回微孔（M2）、介孔区一侧界面的碰撞（M3）以及微孔区一侧界面处的碰撞（M4）。统计发现，分子在界面处的反复碰撞（M3和M4）远比成功穿越（M1和M2）更为常见，说明“接近介孔”不等于“用上介孔”。随着温度升高，分子与界面的碰撞更加频繁，成功进入介孔的机会也随之增加。此外，成功进入介孔还需满足两个条件：更高的运动速度，以及更接近指向介孔内部的运动方向。相比之下，分子从介孔返回吸附更强的微孔则容易得多，体现出界面传输的方向不对称性。
图3. 界面附近的四种分子运动模式及对应发生频次随温度变化
真正利用介孔，才能延长有效扩散距离
研究团队还追踪了分子进入介孔后的行程。若分子只在介孔边缘短暂停留，随后又回到附近微孔，介孔对整体传质的贡献便十分有限；只有当分子穿过更长的介孔路径，并从较远位置离开时，介孔的快速通行优势才能充分发挥。模拟结果显示，较高温度下分子的有效扩散距离分布向更长距离延伸，表明介孔的利用程度得到改善（图4）。
图4. 分子在介孔内的有效扩散距离随温度的变化
总结展望
这项研究将多级孔分子筛的传质问题从“孔道有多宽”推进到“分子如何跨越界面”，揭示了微介孔界面在温度调控下的过滤作用，并阐明分子碰撞、速度和运动方向对跨孔传输的重要影响。研究提示，优化多级孔材料不能只追求更高介孔比例，还应关注微介孔之间的能量衔接与实际使用温度。未来，可结合界面结构调节与反应工况设计，进一步提高介孔的有效利用率，为高效催化和分离材料的设计提供新的思路。
03作者
郑安民 教授
郑安民，武汉科技大学化学与化工学院/核磁共振与分子科学交叉研究院（NMR-X）教授，团队负责人。主要从事多孔固体催化材料吸附扩散、酸碱活性中心特性和反应机理的固体核磁共振实验和多尺度理论模拟研究。在 Science、Nat. Nanotechnol.、Nat. Commun.、PNAS、Sci. Adv.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed. 等期刊上发表研究论文200余篇，应邀为 Chem. Rev.、Chem. Soc. Rev. 、Acc. Chem. Res. 撰写综述论文。主持国家基金委杰出青年基金、优秀青年基金、重点基金等项目，湖北省杰出青年基金；湖北省卓越研究群体项目和创新群体负责人。
刘志强 教授
刘志强，武汉科技大学化学与化工学院/核磁共振与分子科学交叉研究院（NMR-X）教授，主要从事分子筛吸附扩散的微观机制研究，结合密度泛函理论、从头算分子动力学模拟、分子模拟、人工智能（机器学习）等理论方法和扩散实验探索多孔材料限域孔道内的主客体相互作用，已发表论文90余篇，其中以第一/通讯（含共同）作者发表Science、Nat. Nanotechnol.、Chem. Soc. Rev.、Acc. Chem. Res.、Nat. Commun.、Sci. Adv.、PNAS、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Natl. Sci. Rev.、Green Carbon、CCS Chem.等30余篇。主持国家自然科学基金面上（2项）、湖北省“杰出青年”基金、湖北省“青年拔尖人才”等项目。荣获湖北青年五四奖章，入选湖北化学化工“优秀青年工作者”、“青年创新英才”，担任Green Carbon、Chemical Synthesis期刊青年编委和湖北省化学化工青年委员。
袁家敏 博士后
袁家敏，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院博士后，主要从事多孔材料吸附分离、扩散等多尺度理论模拟研究。采用分子动力学，从头算分子动力学、蒙特卡洛、深度势分子动力学模拟等理论结合扩散实验方法探索多孔材料内分子的运动规律，为工业分子筛的设计，优化和改性提供相应理论指导。已在 PNAS、Nat. Commun.、Angew. Chem. Int. Ed.、Chem. Soc. Rev.、Acc. Chem. Res.、Green Carbon 等期刊发表论文30余篇。获得国家自然科学基金青年基金项目、国家资助博士后研究人员计划B档资助、中国博士后科学基金面上项目、中国科学院特别研究助理资助项目、湖北省博士后创新研究岗位资助等项目的资助。荣获中国科学院院长优秀奖。
04论文信息
论文信息：
Yuzhou Fan, Jiamin Yuan, Xiaomin Tang, Zhiqiang Liu and Anmin Zheng, Temperature-controlled diffusion filter in multiscale confined spaces: exploring micro–mesoporous interfaces[J]. Green Carbon, 2026.
论文网址：
https://doi.org/10.1016/j.greenca.2026.01.005
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