原位固体核磁共振转子插件的设计及其在催化反应中的应用研究

doi:10.11938/cjmr20243118

波谱学杂志 ›› 2025, Vol. 42 ›› Issue (1): 13-21.doi: 10.11938/cjmr20243118cstr: 32225.14.cjmr20243118

原位固体核磁共振转子插件的设计及其在催化反应中的应用研究

沈雪媛¹^,², 王瑞琛¹^,², 齐国栋¹^,²^,^*(), 徐君¹^,²^,^#(), 邓风¹^,²

1.中国科学院精密测量科学与技术创新研究院，波谱与原子分子物理国家重点实验室，武汉磁共振中心，湖北武汉 430071
2.中国科学院大学，北京 100049

收稿日期:2024-05-20 出版日期:2025-03-05 在线发表日期:2024-06-21
通讯作者: *Tel: 027-87197359, E-mail: qgdong@wipm.ac.cn;# Tel: 027-87197359, E-mail: xujun@wipm.ac.cn.
基金资助:
国家重点基础研究发展计划资助项目(2022YFB3504000);中国科学院磁共振技术联盟科研仪器设备研制/功能开发项目(2021gzl004);中国科学院前瞻战略科技先导专项(XDB0540000);国家自然科学基金(22272185);国家自然科学基金(22225205);国家自然科学基金(22320102002);国家自然科学基金(22127801)

Design of in situ Solid-State NMR Rotor Inserts and Their Application to Catalytic Reactions

SHEN Xueyuan¹^,², WANG Ruichen¹^,², QI Guodong¹^,²^,^*(), XU Jun¹^,²^,^#(), DENG Feng¹^,²

1. National Center for Magnetic Resonance in Wuhan, State Key Laboratory of Magnetic Resonance and Atomic and Molecular Physics, Innovation Academy for Precision Measurement Science and Technology, Chinese Academy of Sciences, Wuhan 430071, China
2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Received:2024-05-20 Published:2025-03-05 Online:2024-06-21
Contact: *Tel: 027-87197359, E-mail: qgdong@wipm.ac.cn;# Tel: 027-87197359, E-mail: xujun@wipm.ac.cn.

摘要/Abstract

摘要：

原位固体核磁共振技术（NMR）是研究真实反应条件下催化反应过程的有力工具之一，但传统商用固体NMR转子难以在魔角旋转（MAS）条件下满足反应所需的温度和压力等条件．本文设计并加工了适用于商用固体NMR转子的插件，在转子中能够耐受室温至433 K温度范围以及常压至618.3 kPa密闭压力范围的反应条件，为在NMR磁体内原位研究化学反应提供了一种新的手段．利用该设计，我们通过固体¹H MAS NMR实验原位研究了Sn-MFI分子筛上二羟基丙酮的异构化反应，发现二羟基丙酮可经过偕二醇类中间体异构化生成甘油醛的反应途径．

关键词: 固体核磁共振, 原位, NMR转子, 催化反应, 谱学表征

Abstract:

In situ solid-state nuclear magnetic resonance (NMR) serves as a powerful means to study catalytic reactions under operating conditions. Standard solid-state NMR rotors typically struggle to match the pressure and temperature of active reactions during sampling. Here, we introduce specialized inserts for commercial solid-state NMR rotors capable of withstanding pressures from atmospheric to 618.3 kPa and temperatures ranging from room temperature up to 433 K. With this innovative design, we examine the isomerization of dihydroxyacetone (DHA) on Sn-MFI zeolite catalyst using in situ ¹H MAS NMR, revealing the presence of a gem-diols-type intermediate during the transformation of DHA into glyceraldehyde.

Key words: solid-state NMR, in situ, NMR rotors, catalytic reactions, spectroscopic characterization

中图分类号:

O482.53

沈雪媛, 王瑞琛, 齐国栋, 徐君, 邓风. 原位固体核磁共振转子插件的设计及其在催化反应中的应用研究[J]. 波谱学杂志, 2025, 42(1): 13-21.

SHEN Xueyuan, WANG Ruichen, QI Guodong, XU Jun, DENG Feng. Design of in situ Solid-State NMR Rotor Inserts and Their Application to Catalytic Reactions[J]. Chinese Journal of Magnetic Resonance, 2025, 42(1): 13-21.

图/表 8

图1

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表1

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表2

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图5

参考文献 29

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插件	温度/K	压强/kPa	重量变化/%
插件	温度/K	压强/kPa	第1次测试	第2次测试	第3次测试
4 mm PTFE	393	198.6	0	0	-0.5
4 mm PEEK	433	618.3	0	-2.0	-0.5
7 mm PTFE	433	618.3	-0.3	-0.1	-0.5
7 mm PEEK	433	618.3	-0.5	-0.3	-0.3

T_Set/K	样品位置
	顶部		中部		底部
	δ/ppm	T_Real/K	δ/ppm	T_Real/K	δ/ppm	T_Real/K
300	-0.05	300.41	-0.07	301.11	-0.06	299.11
307	-0.26	308.84	-0.28	309.54	-0.23	305.94
314	-0.41	314.87	-0.42	315.17	-0.38	311.96
321	-0.55	320.49	-0.54	319.99	-0.48	315.98
327	-0.62	323.30	-0.61	322.80	-0.56	319.19

插件	转速/kHz	耐受温度	耐受压力	适用体系
4 mm PTFE	0~10	室温~393 K	常压~198.6 kPa	除¹³C和¹⁹F以外的其他原子核观测
7 mm PTFE	0~4	室温~433 K	常压~618.3 kPa	除¹³C和¹⁹F以外的其他原子核观测
4 mm PEEK	0~10	室温~433 K	常压~618.3 kPa	除¹H和¹³C以外的其他原子核观测
7 mm PEEK	0~4	室温~433 K	常压~618.3 kPa	除¹H和¹³C以外的其他原子核观测

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Design of in situ Solid-State NMR Rotor Inserts and Their Application to Catalytic Reactions

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