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展，發現籠結構分子篩催化甲醇轉化積碳跨籠生長機制。
分子篩催化的石油化工(催化裂化、異構化等)和煤化工(甲醇制烯烴、合成氣轉化等)等工業過程在國民經濟中具有重要地位，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，以實現裝置的長周期操作。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。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單的稠環芳烴物種或分子篩外表面生成的石墨化的積碳，難以關聯出確切的積碳演變途徑。從分子水平對積碳物種結構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實意義。
該項研究中，研究團隊結合甲醇轉化為烯烴反應，利用高分辨質譜與同位素標記技術相結合的手段，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過程中初始積碳基元物種在分子篩籠間的交聯生長過程，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、稠環化生成3至4個環的積碳前軀體，隨后這些積碳結構基元通過共價鍵跨籠交聯，形成多核、類納米石墨烯結構的稠環芳烴物種。這類跨籠交聯的稠環芳烴物種嚴重阻礙反應傳質，導致催化劑失活。隨后的拓展研究發現，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。跨籠積碳失活機制的發現不僅會推動甲醇轉化網絡、籠控制原理等甲醇轉化反應基礎原理的深入研究，也會為高效催化劑的設計和工業失活催化劑的燒炭再生工藝優化提供理論參考。
上述研究成果發表在《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。
