近日，低碳催化與工程研究部劉中民院士、魏迎旭研究員團(tuán)隊在甲醇制烯烴反應(yīng)積碳失活方面取得新進(jìn)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(jī)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(jì)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(yuǎn)的科學(xué)挑戰(zhàn)。要解決這一難題，需要對催化劑積碳失活的機(jī)理有深入的了解。目前，文獻(xiàn)對分子篩積碳的認(rèn)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(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程具有重要現(xiàn)實意義。

該項研究中，研究團(tuán)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(biāo)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(fù)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(kuò)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(yán)重阻礙反應(yīng)傳質(zhì)，導(dǎo)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。跨籠積碳失活機(jī)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(xué)基金項目、中科院前沿重點課題項目和中國科學(xué)院對外合作重點項目等的支持。此外，這也是獻(xiàn)禮大連化學(xué)物理研究所七十周年所慶文章之一。