近日，低碳催化與工程研究部劉中民院士、魏迎旭研究員團隊在甲醇制烯烴反應(yīng)積碳失活方面取得新進展，發(fā)現(xiàn)籠結(jié)構(gòu)分子篩催化甲醇轉(zhuǎn)化積碳跨籠生長機制。
分子篩催化的石油化工(催化裂化、異構(gòu)化等)和煤化工(甲醇制烯烴、合成氣轉(zhuǎn)化等)等工業(yè)過程在國民經(jīng)濟中具有重要地位，因其酸催化特征，催化劑因積碳而失活是普遍現(xiàn)象。需要對催化劑不斷燒炭再生才能維持其活性，以實現(xiàn)裝置的長周期操作。雖然分子篩催化劑積碳失活問題一直受到廣泛的重視，但如何使催化劑避免積碳仍然是一項長遠的科學挑戰(zhàn)。要解決這一難題，需要對催化劑積碳失活的機理有深入的了解。目前，文獻對分子篩積碳的認知歸納為分子篩內(nèi)部簡單的稠環(huán)芳烴物種或分子篩外表面生成的石墨化的積碳，難以關(guān)聯(lián)出確切的積碳演變途徑。從分子水平對積碳物種結(jié)構(gòu)進行全譜圖解析并跟蹤積碳物種的演變對積碳失活和催化劑再生過程具有重要現(xiàn)實意義。
該項研究中，研究團隊結(jié)合甲醇轉(zhuǎn)化為烯烴反應(yīng)，利用高分辨質(zhì)譜與同位素標記技術(shù)相結(jié)合的手段，配合理論計算，成功解析了之前未知的高分子量的復雜積碳分子結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)研究了積碳生長過程中初始積碳基元物種在分子篩籠間的交聯(lián)生長過程，給出了相對完整的甲醇制烯烴反應(yīng)積碳演變路徑：SAPO-34分子篩籠內(nèi)活性烴池物種逐步擴環(huán)、稠環(huán)化生成3至4個環(huán)的積碳前軀體，隨后這些積碳結(jié)構(gòu)基元通過共價鍵跨籠交聯(lián)，形成多核、類納米石墨烯結(jié)構(gòu)的稠環(huán)芳烴物種。這類跨籠交聯(lián)的稠環(huán)芳烴物種嚴重阻礙反應(yīng)傳質(zhì)，導致催化劑失活。隨后的拓展研究發(fā)現(xiàn)，跨籠積碳失活行為在其他籠結(jié)構(gòu)分子篩催化體系也普遍存在?？缁\積碳失活機制的發(fā)現(xiàn)不僅會推動甲醇轉(zhuǎn)化網(wǎng)絡(luò)、籠控制原理等甲醇轉(zhuǎn)化反應(yīng)基礎(chǔ)原理的深入研究，也會為高效催化劑的設(shè)計和工業(yè)失活催化劑的燒炭再生工藝優(yōu)化提供理論參考。
上述研究成果發(fā)表在《自然-通訊》(Nature Commun.)上。該工作得到了國家自然科學基金項目、中科院前沿重點課題項目和中國科學院對外合作重點項目等的支持。此外，這也是獻禮大連化學物理研究所七十周年所慶文章之一。
