【催化】大连化物所刘中民院士、魏迎旭研究员Nature Commun.：你见过这样的分子筛失活方式吗？- 大数跨境

【催化】大连化物所刘中民院士、魏迎旭研究员Nature Commun.：你见过这样的分子筛失活方式吗？

X-MOL资讯

2020-03-30

导读：中科院大连化物所刘中民院士、魏迎旭研究员团队在甲醇制烯烃反应失活机制方面取得新进展，发现笼结构分子筛在甲醇制烯烃反应中的积碳跨笼生长机制。

乙烯和丙烯等低碳烯烃是化学工业中最重要的基础化工原料，传统从石油中制取。针对我国“富煤贫油”的能源现状，中科院大连化物所开发了以煤为原料经甲醇制取低碳烯烃技术，并已实现工业化。此技术对我国能源安全和国民经济发展具有重要的战略意义。

分子筛催化的石油化工（催化裂化、异构化等）和煤化工（甲醇制烯烃、合成气转化等）等工业过程中，多环芳烃积碳物种广泛存在，并不可避免。工业上失活催化剂需要不断烧炭再生，工程设计复杂，很大程度上限制了工业效率。延缓积碳或避免催化剂失活，首先需要明确解析积碳分子结构，揭示完整的积碳演变路径。目前积碳分析常用的溶碳萃取-色质分析方法及原位谱学手段只能鉴定较轻的积碳分子结构，无法解析重的积碳分子结构。而工业甲醇制烯烃反应中大量的积碳为重的稠环芳烃物种。对积碳物种结构进行全面解析对积碳失活和催化剂再生过程具有重要现实意义。

近日，中科院大连化物所刘中民院士、魏迎旭研究员团队在甲醇制烯烃反应失活机制方面取得新进展，发现笼结构分子筛在甲醇制烯烃反应中的积碳跨笼生长机制。理论计算工作得到了中科院武汉物理数学研究所郑安民研究员团队的支持。

该文要点如下：（1）通过对比研究和直接测量，排除了大量重积碳物种分布在SAPO-34分子筛晶粒外表面的可能性。（2）利用MALDI FT-ICR质谱与同位素标记技术相结合手段，配合DFT、MD理论计算，建立了一套积碳物种表征新策略。（3）借助这一手段，研究者成功解析了重的积碳分子结构，并在此基础上给出了相对完整的甲醇制烯烃反应积碳演变路径。反应时单个笼内先生成活性烃池物种，然后逐步扩环、长大，生成3-4个环的积碳结构基元，随后这些积碳结构基元通过共价键跨笼交联，也就是在相邻的笼和笼之间形成连接，最终生成多核的稠环芳烃物种。积碳跨笼交联，严重阻碍反应传质，导致催化剂失活。（4）解出重的积碳分子结构和给出完整的积碳演变路径后，研究团队进一步解析了SAPO-34分子筛积碳的空间分布，积碳呈现非均匀分布特征：重的跨笼积碳分子分布在分子筛晶粒靠近外部的笼内，靠近分子筛晶粒内部积碳分子逐渐变轻，晶粒内部存在未被利用的活性位点。（5）跨笼积碳失活行为在其他笼结构分子筛（CHA、LEV、AEI）中也普适性存在。（6）跨笼积碳失活行为的发现，不仅拓展了人们对分子筛催化的甲醇转化反应失活机理的认识，也为高效催化剂的设计和失活催化剂的烧碳再生工艺优化提供了新思路。