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積碳失活方面取得新進(jìn)展，發(fā)現籠結構分子篩催化甲醇轉化積碳跨籠生長(cháng)機制。
分子篩催化的石油化工(催化裂化、異構化等)和煤化工(甲醇制烯烴、合成氣轉化等)等工業(yè)過(guò)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象。需要對催化劑不斷燒炭再生才能維持其活性，以實(shí)現裝置的長(cháng)周期操作。雖然分子篩催化劑積碳失活問(wèn)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(cháng)遠的科學(xué)挑戰。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部簡(jiǎn)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構進(jìn)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(guò)程具有重要現實(shí)意義。
該項研究中，研究團隊結合甲醇轉化為烯烴反應，利用高分辨質(zhì)譜與同位素標記技術(shù)相結合的手段，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構，系統研究了積碳生長(cháng)過(guò)程中初始積碳基元物種在分子篩籠間的交聯(lián)生長(cháng)過(guò)程，給出了相對完整的甲醇制烯烴反應積碳演變路徑：SAPO-34分子篩籠內活性烴池物種逐步擴環(huán)、稠環(huán)化生成3至4個(gè)環(huán)的積碳前軀體，隨后這些積碳結構基元通過(guò)共價(jià)鍵跨籠交聯(lián)，形成多核、類(lèi)納米石墨烯結構的稠環(huán)芳烴物種。這類(lèi)跨籠交聯(lián)的稠環(huán)芳烴物種嚴重阻礙反應傳質(zhì)，導致催化劑失活。隨后的拓展研究發(fā)現，跨籠積碳失活行為在其他籠結構分子篩催化體系也普遍存在?？缁\積碳失活機制的發(fā)現不僅會(huì )推動(dòng)甲醇轉化網(wǎng)絡(luò )、籠控制原理等甲醇轉化反應基礎原理的深入研究，也會(huì )為高效催化劑的設計和工業(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(xué)基金項目、中科院前沿重點(diǎn)課題項目和中國科學(xué)院對外合作重點(diǎn)項目等的支持。此外，這也是獻禮大連化學(xué)物理研究所七十周年所慶文章之一。
