什么是Brønsted酸、Lewis酸位点？

B酸（Brønsted酸）位点和L酸（Lewis酸）位点是固体催化剂中最重要的两类活性中心。B酸位点通常以结构羟基形式存在，能够向底物提供质子，广泛分布于沸石、分子筛等多孔材料及部分无机氧化物中，主要催化烷基化、酯化等质子转移反应。L酸位点则以金属离子或不饱和金属中心为主，能接受电子对，常见于金属氧化物和掺杂型分子筛，擅长催化异构化、脱水等反应。

近年来，协同调控B/L酸位点成为催化材料设计的重要方向。以改性UiO-66为例，通过缺陷工程引入B/L酸位点，可显著提升葡萄糖级联转化为乙酰丙酸的效率，实现>99%转化率和83%收率。B/L酸位点的合理搭配不仅提升催化活性与选择性，还为绿色化工与可持续催化剂开发提供了新思路。

B酸位点的概念最早源于Brønsted-Lowry酸碱理论。在固体催化剂，尤其是沸石、分子筛等多孔材料中，B酸位点通常表现为结构羟基，例如Si–OH–Al这样的桥氧结构。这种结构能够向反应物分子转移质子（H⁺），本质上是一个“质子供体”。想象一下，一个表面带有活性氢的催化剂，将这个氢“借”给底物分子，促使底物分子活化、反应进行——这正是B酸位点的工作方式。

B酸位点不仅仅广泛存在于天然和合成沸石、分子筛材料，也常见于某些无机氧化物、硅铝酸盐和部分金属有机骨架（MOF）材料。它们的酸性强度、数量和空间分布，对反应选择性和产物收率都有直接影响。以沸石为例，B酸位点往往位于孔道内部或表面，使催化剂兼具高选择性与分子筛分效应。

在实际反应中，B酸位点主要通过“质子化”底物分子来加速反应。例如在烷基化、酯化、烃类裂解、烯烃水合等反应中，B酸位点向底物提供质子，形成碳正离子等高活性中间体，从而降低反应能垒，提高转化效率。需要强调的是，B酸位点的酸性和微观环境会显著影响其催化活性和抗中毒能力。空间限制较强的沸石孔道往往更有利于形成稳定、选择性高的B酸催化体系。

B酸位点的催化机制近年来有了更加深入的理解。以2024年发表于《ACS Catalysis》的研究为例，Hebisch等团队探讨了Ferrierite分子筛中B酸位点对1-丁烯骨架异构化反应的影响。

研究发现，即使催化反应过程中产生了大量碳沉积（俗称“焦炭”），导致催化剂大部分孔道被堵塞，催化活性依然不降反升。深入的表征和动力学分析表明，残留在材料外表面或孔口附近的B酸位点会与碳沉积协同形成新型活性中心——以芳基碳正离子为主导的“活性库”。

这些新活性中心不仅能持续催化骨架异构化，还可提升反应的选择性和耐久性。这一机制打破了传统“焦炭=催化失活”的观念，表明B酸位点与材料结构、环境耦合后能产生意想不到的活性提升，丰富了我们对固体酸催化剂微观机制的认识。

DOI: 10.1021/acscatal.4c01898

与B酸位点不同，L酸位点的本质是“电子对的接受者”。Lewis酸理论认为，任何能接受孤对电子的物种都可视为Lewis酸。在固体催化剂中，L酸位点多由金属离子（如Sn⁴⁺、Ti⁴⁺、Zn²⁺、Al³⁺等）、缺陷金属中心或表面未饱和金属原子等构成。这些位点通常呈现为无配位或低配位状态，具有强烈的电子亲和力。

L酸位点广泛分布于金属氧化物、掺杂型沸石和部分金属有机多孔材料中。例如，通过向沸石骨架中掺杂锡、钛等金属元素，可以在保持原有结构稳定性的同时引入大量Lewis酸位点。这些位点不仅可以直接与底物分子的孤对电子发生配位，极大地活化底物分子的化学键，还能诱导异构化、脱水、环化等一系列重要有机反应。

不同于B酸，L酸位点尤其擅长催化含氧有机分子的转化（如醇、酮、醚等），在生物质转化、精细化工等领域展现了巨大的应用价值。通过调控L酸位点的类型、密度和分布，可以显著提升催化剂的选择性与耐久性。例如，掺杂Sn⁴⁺的MFI型沸石可高效催化环己醇的脱水反应，在水环境下依然表现出较高的稳定性和活性。

在L酸位点的功能开发方面，2024年同样发表于《ACS Catalysis》的另一项研究为我们提供了精彩范例。Resende等人设计了系列Sn掺杂MFI型沸石，系统考察了Sn引入对材料结构、酸性分布以及催化性能的影响。通过精确调控Sn/Al比例，研究人员实现了B酸位点和L酸位点的独立调控，并将其用于环己醇在水相中的脱水反应。

结果显示，Sn掺杂越多，L酸位点（Sn⁴⁺）浓度越高，而B酸位点（骨架Al-OH-Si）基本保持不变。更有趣的是，当L酸和B酸位点空间邻近时，会显著提升脱水反应的表观速率，且这种提升并非通过降低反应能垒实现，而是通过提升反应体系的过渡态熵，促进更有利的反应路径。这一发现证明了L酸位点不仅能单独催化反应，更能与B酸位点协同，实现效率和选择性的双重提升。

DOI: 10.1021/acscatal.4c01608

B酸位点和L酸位点在结构和作用机制上各具特色，也各有适用的反应类型。B酸更偏重于质子的供给和碳正离子的活化，适用于烷基化、酯化、裂解等“质子转移为主导”的反应。而L酸则通过电子对的接受与配位，诱导底物分子发生异构化、脱水等反应，尤其适合极性较强、含氧官能团丰富的有机底物。

从材料设计角度来看，B酸和L酸位点可以通过调控元素组成、空间分布和表面缺陷等方式实现精准构筑。例如，向沸石中引入金属离子可以增加L酸位点，而调整骨架铝含量或羟基分布则可以调控B酸位点的数量和酸强度。值得一提的是，在同一种催化剂材料中，这两类酸性位点往往可以共存，彼此协同提升催化效率与选择性。

以2025年发表在《Sustainable Energy & Fuels》的研究为例，Boonmark等人通过缺陷工程策略对金属有机框架材料UiO-66进行了改性，精准构建了兼具Brønsted酸和Lewis酸位点的双功能催化剂。

在这一体系中，研究者采用简单的稀盐酸处理，引入了丰富的–COOH自由羧基（Brønsted酸位点），同时保留了因有机配体缺失而形成的锆节点不饱和位点（Lewis酸位点）。这种B/L酸位点协同分布，使得改性后的UiO-66不仅具备高稳定性和高比表面积，更在葡萄糖到乙酰丙酸（levulinic acid, LEV）的级联催化反应中表现出卓越性能。

具体来看，该催化剂在水热条件下能够高效实现葡萄糖的多步转化——首先，Lewis酸位点促进葡萄糖异构化为果糖，随后Brønsted酸位点加速果糖脱水及后续5-羟甲基糠醛（5-HMF）的水解过程，最终高选择性生成LEV。

正是这种酸性功能的协同作用，使得整个转化过程可以在单一反应器中一锅式高效完成。实验结果表明，经过酸处理的UiO-66（UiO-66*-A）在190°C、6小时反应条件下，葡萄糖转化率超过99%，LEV收率高达83%。相比传统单一酸性催化剂，双功能UiO-66不仅催化活性显著提升，而且大大抑制了副产物的生成，提高了目标产物的选择性。

值得强调的是，该研究还发现B/L酸位点的比例和空间分布对于级联反应的路径调控具有重要作用。通过结构和表面分析手段（如XPS、FTIR），作者证实了酸处理过程显著提升了材料表面的Brønsted酸数量，同时保持了丰富的Lewis酸中心，这为材料的协同催化奠定了基础。此外，实验中添加NaCl作为辅助剂，进一步增强了催化剂对LEV生成的选择性，机制在于Cl⁻离子可通过氢键作用调控关键中间体的生成和转化。

这一研究不仅为MOF材料中酸性中心的协同调控提供了实验范例，也清晰展现了B/L酸位点在复杂多步反应中的互补与耦合关系。其成果为高效、可持续的生物质转化路线开辟了新途径，并为绿色化工催化剂的设计和应用提供了重要理论与实践支撑。

DOI: 10.1039/d4se01352b