近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的研究團隊將多尺度反應(yīng)-擴散模型與超分辨結(jié)構(gòu)照明成像技術(shù)結(jié)合，實現(xiàn)甲醇制烯烴(MTO)工業(yè)級別SAPO-34分子篩晶體內(nèi)反應(yīng)與擴散過程成像，可直觀獲取反應(yīng)過程中客體分子、積炭物種以及酸性位點的時空分布與演化。該研究成果發(fā)表于《自然-通訊》雜志。

MTO過程打通了煤、天然氣以及生物質(zhì)等非石油原料生產(chǎn)低碳烯烴的技術(shù)路線，已成為我國乙烯、丙烯等大宗化學(xué)品的重要生產(chǎn)方式。MTO反應(yīng)采用的分子篩催化劑，因獨特的孔道結(jié)構(gòu)限制了分子傳質(zhì)，使得其在實現(xiàn)較高低碳烯烴選擇性的同時也加快了催化劑積炭失活。因此，獲取分子篩晶體內(nèi)由于傳質(zhì)限制導(dǎo)致的反應(yīng)物和產(chǎn)物的時空非均勻分布，對理解催化劑積炭失活機理具有重要意義。目前常用的時空分辨光譜成像技術(shù)很難同時獲取相關(guān)信息。

該團隊對MTO過程進行研究，發(fā)展了基于雙環(huán)反應(yīng)機理的反應(yīng)動力學(xué)，提出分子篩晶體中分子擴散的定量描述方法，據(jù)此建立分子篩晶體尺度和催化劑顆粒的多尺度反應(yīng)-擴散模型。將該模型與超分辨結(jié)構(gòu)照明成像相結(jié)合，實現(xiàn)SAPO-34分子篩晶體內(nèi)反應(yīng)與擴散過程成像以及反應(yīng)中反應(yīng)物和產(chǎn)物分子、積炭物種以及酸性位點的時空分布與演化。

研究發(fā)現(xiàn)，在MTO過程中，分子篩的晶體粒度可以改變活性中間體的空間初始落位，直接決定客體分子與催化劑中酸性位點以及活性中間體的可接觸性和利用率，從而對MTO宏觀反應(yīng)性能產(chǎn)生影響。該方法可用于定量描述MTO過程分子篩催化劑快速失活的過程。

該研究實現(xiàn)了介尺度模型和時空分辨光譜技術(shù)的結(jié)合，對促進MTO過程分子篩催化劑反應(yīng)擴散歷程的理解，以及對分子篩催化劑設(shè)計和MTO工藝過程優(yōu)化具有重要意義，同時為研究非均相催化反應(yīng)中分子篩晶體的客體分子時空演化行為提供思路。

[中國石化有機原料科技情報中心站供稿]