近日，我所低碳催化與工程研究部（DNL12）劉中民院士、魏迎旭研究員團隊發表了分子篩催化甲醇轉化制取烴類反應（Methanol-to-Hydrocarbons，MTH）動態催化反應機制的綜述文章，系統總結了研究團隊在分子篩催化甲醇轉化反應機理研究方面的研究成果，團隊基于反應過程中活性位點/活性物種動態演變，構建多循環協同運行的動態催化反應超環網絡，提出了分子篩催化甲醇轉化的動態催化反應機制，對于深刻理解分子篩化學尤其是真實催化反應條件下分子篩的催化本質具有重要意義。
甲醇制烯烴（MTO）過程工業化的成功為煤化工和石油化工的協同發展搭建了橋梁，同時實現了我國煤炭資源的高效清潔利用。不斷深入對催化反應過程的基本原理和選擇性控制原理的全面認識，將有助于支撐催化新材料和工藝技術的不斷升級和發展，保持MTO為代表的新興煤化工產業的競爭力和可持續性。我所低碳催化與工程研究部始終堅持基礎研究與應用研究相結合，通過基礎研究揭示微觀催化反應機制，為技術的可持續開發和創新提供理論支撐。
分子篩固有的酸性和擇形性賦予其在MTH催化反應中的決定性角色，并展現出較好的催化反應活性和選擇性。然而，分子篩催化的MTH反應過程所展示出的動態演變、反應模式多樣性、催化和擴散的耦合和解耦等復雜特征，使人們在全面理解MTH催化反應機制的研究中面臨挑戰。
該團隊借助于先進的原位譜學、同位素標記、計算化學等技術對分子篩催化的甲醇轉化的催化過程深入研究，在捕捉和識別分子篩籠/孔中活性中間體（J. Am. Chem. Soc.，2012；Angew. Chem. Int. Ed.，2013；Angew. Chem. Int. Ed.，2017；Nat. Commun.，2020）、催化劑表面實時動態演變的原位觀測與模擬（ACS Catal.，2018；ACS Cent. Sci.，2021；J. Am. Chem. Soc.，2021；Chem，2021；Natl. Sci. Rev.，2022）、分子篩微環境中構建和模擬基元反應步驟（ACS Catal.，2018；ACS Catal.，2019；ACS Catal.，2020；Nat. Commun.，2021）等方面取得系列研究成果。
基于上述工作，該綜述揭示了分子篩催化的MTH反應過程活性位點從傳統認知的Brønsted酸位點（BAS）到有機—無機雜化超分子（OIHS）復合活性位點的動態更替；反應中間體從表面甲氧基物種（SMS）到活性離子對復合物（AIPC）再到惰性復合物（IC）的動態演變，引導C-C鍵形成由初始C-C直接偶連機制到高效烴池（HCP）自催化機制的轉變；催化循環由BAS酸直接催化到多級催化反應循環協同運行構建催化反應超環網絡，引導反應過程由自催化啟動到自催化維持再到自催化終止的反應演變規律。通過上述研究，該綜述深入闡釋了分子篩催化MTH反應中的復雜機制，以及結構—活性關系，并由此提出了MTH化學的動態催化反應機制。這些認識揭示出分子篩催化化學中，尤其是真實工況下分子篩的催化本質往往是復雜的、動態的，而非局限于相對簡化活性位點和靜態的BAS催化的傳統觀點。
該工作以“Dynamic Catalytic Mechanism of the Methanol-to-Hydrocarbons Reaction over Zeolites” 為題，于近日發表在Accounts of Chemical Research上。該工作的第一作者是我所DNL1201組武新強副研究員。上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院前沿科學重點研究計劃、中國科學院青促會等項目的資助。（文/圖 武新強）
