近日，大連化物所甲醇制烯烴國(guó)家工程實(shí)驗(yàn)室葉茂研究員、劉中民院士團(tuán)隊(duì)和分子探針與熒光成像研究組（1818組）徐兆超研究員團(tuán)隊(duì)合作，采用多尺度反應(yīng)-擴(kuò)散模型與超分辨結(jié)構(gòu)照明成像技術(shù)結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了甲醇制烯烴工業(yè)級(jí)別SAPO-34分子篩晶體內(nèi)反應(yīng)與擴(kuò)散過(guò)程成像，可以直觀獲取反應(yīng)過(guò)程中客體分子、積碳物種以及酸性位點(diǎn)的時(shí)空分布與演化。

　　甲醇制烯烴打通了煤、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，已經(jīng)成為我國(guó)乙烯丙烯等大宗化學(xué)品的重要生產(chǎn)方式。甲醇制烯烴反應(yīng)采用的分子篩催化劑，由于獨(dú)特的孔道結(jié)構(gòu)限制了分子傳質(zhì)，使得其在實(shí)現(xiàn)較高低碳烯烴選擇性的同時(shí)也加快了催化劑積碳失活。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(shí)空非均勻分布，對(duì)于理解催化劑積碳失活機(jī)理具有重要意義。目前常用的時(shí)空分辨光譜成像技術(shù)很難同時(shí)獲取催化過(guò)程中分子篩晶體內(nèi)反應(yīng)物和產(chǎn)物分子、積碳物種以及酸性位點(diǎn)的完整時(shí)空演化信息。

　　多尺度反應(yīng)-擴(kuò)散模擬與時(shí)空分辨光譜結(jié)合用于甲醇制烯烴過(guò)程反應(yīng)與擴(kuò)散成像

　　葉茂、劉中民團(tuán)隊(duì)對(duì)甲醇制烯烴過(guò)程進(jìn)行了深入研究，發(fā)展了基于雙環(huán)反應(yīng)機(jī)理的反應(yīng)動(dòng)力學(xué)（Chemical Engineering Journal, DOI: 10.1016/j.cej.2017.04.041；AIChE Journal, DOI: 10.1002/aic.16439），并提出了分子篩晶體中分子擴(kuò)散的定量描述方法（Communication Chemistry, DOI: 10.1038/s42004-019-0144-1; AIChE Journal, DOI: 10.1002/aic.16991），據(jù)此建立了分子篩晶體尺度和催化劑顆粒尺度的多尺度反應(yīng)-擴(kuò)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，該團(tuán)隊(duì)將多尺度反應(yīng)-擴(kuò)散模型與超分辨結(jié)構(gòu)照明成像相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了甲醇制烯烴工業(yè)級(jí)別SAPO-34分子篩晶體內(nèi)反應(yīng)與擴(kuò)散過(guò)程成像，可直接獲取反應(yīng)中反應(yīng)物和產(chǎn)物分子、積碳物種以及酸性位點(diǎn)的時(shí)空分布與演化。研究發(fā)現(xiàn)，在甲醇制烯烴過(guò)程中，分子篩的晶體粒度可以改變活性中間體（芳烴烴池物種）的空間初始落位，直接決定客體分子與催化劑中酸性位點(diǎn)以及活性中間體的可接觸性和利用率，從而對(duì)甲醇制烯烴宏觀反應(yīng)性能產(chǎn)生顯著影響。該方法還被進(jìn)一步用于定量描述甲醇制烯烴過(guò)程分子篩催化劑快速失活的過(guò)程。該研究實(shí)現(xiàn)了介尺度模型和時(shí)空分辨光譜技術(shù)的結(jié)合，不僅能夠促進(jìn)理解甲醇制烯烴過(guò)程分子篩催化劑反應(yīng)擴(kuò)散歷程，對(duì)分子篩催化劑設(shè)計(jì)和甲醇制烯烴工藝過(guò)程優(yōu)化具有重要意義，同時(shí)為研究非均相催化反應(yīng)中分子篩晶體中客體分子時(shí)空演化行為提供了新思路。

　　相關(guān)研究成果發(fā)表在《自然-通訊》（Nat. Comm.）上。上述研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金重大研究計(jì)劃集成項(xiàng)目和大連化物所創(chuàng)新研究基金項(xiàng)目支持。