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我所实现甲醇制烯烃分子筛催化剂内反应与扩散过程成像

Date: 2020 - 07 - 29

       近日,我所甲醇制烯烃国家工程实验室叶茂研究员、刘中民院士团队和分子探针与荧光成像研究组(1818组)徐兆超研究员团队合作,采用多尺度反应-扩散模型与超分辨结构照明成像技术结合,实现了甲醇制烯烃工业级别SAPO-34分子筛晶体内反应与扩散过程成像,可以直观获取反应过程中客体分子、积碳物种以及酸性位点的时空分布与演化。

      甲醇制烯烃打通了煤、天然气以及生物质等非石油原料生产低碳烯烃的技术路线,已经成为我国乙烯丙烯等大宗化学品的重要生产方式。甲醇制烯烃反应采用的分子筛催化剂,由于独特的孔道结构限制了分子传质,使得其在实现较高低碳烯烃选择性的同时也加快了催化剂积碳失活。因此,获取分子筛晶体内由于传质限制导致的反应物和产物的时空非均匀分布,对于理解催化剂积碳失活机理具有重要意义。目前常用的时空分辨光谱成像技术很难同时获取催化过程中分子筛晶体内反应物和产物分子、积碳物种以及酸性位点的完整时空演化信息。

     

叶茂、刘中民团队对甲醇制烯烃过程进行了深入研究,发展了基于双环反应机理的反应动力学(Chemical Engineering Journal, DOI: 10.1016/j.cej.2017.04.041;AIChE Journal, DOI: 10.1002/aic.16439),并提出了分子筛晶体中分子扩散的定量描述方法(Communication Chemistry, DOI: 10.1038/s42004-019-0144-1; AIChE Journal, DOI: 10.1002/aic.16991),据此建立了分子筛晶体尺度和催化剂颗粒尺度的多尺度反应-扩散模型(Chemical Engineering Science, DOI: 10.1016/j.ces.2016.03.004;Chemical Engineering Journal, DOI: 10.1016/j.cej.2018.08.054)。

最近,该团队将多尺度反应-扩散模型与超分辨结构照明成像相结合,实现了甲醇制烯烃工业级别SAPO-34分子筛晶体内反应与扩散过程成像,可直接获取反应中反应物和产物分子、积碳物种以及酸性位点的时空分布与演化。研究发现,在甲醇制烯烃过程中,分子筛的晶体粒度可以改变活性中间体(芳烃烃池物种)的空间初始落位,直接决定客体分子与催化剂中酸性位点以及活性中间体的可接触性和利用率,从而对甲醇制烯烃宏观反应性能产生显著影响。该方法还被进一步用于定量描述甲醇制烯烃过程分子筛催化剂快速失活的过程。该研究实现了介尺度模型和时空分辨光谱技术的结合,不仅能够促进理解甲醇制烯烃过程分子筛催化剂反应扩散历程,对分子筛催化剂设计和甲醇制烯烃工艺过程优化具有重要意义,同时为研究非均相催化反应中分子筛晶体中客体分子时空演化行为提供了新思路。