编辑推荐：
在甲醇制烯烃（MTO）过程中，SAPO-34 催化剂易因积炭失活。研究人员开展了表面电位电荷调制及序贯刻蚀策略优化该催化剂的研究。结果显示序贯酸碱刻蚀的催化剂性能优异。这为提升 MTO 效率和催化剂寿命提供了新方向。
在当今化工领域，对乙烯、丙烯等轻质烯烃的需求与日俱增。传统的石脑油裂解依赖大量原油，而甲醇制烯烃（MTO）工艺凭借其独特优势脱颖而出。MTO 工艺以甲醇为原料，甲醇可从煤炭、天然气、生物质等多种碳源获取，这不仅为原油资源有限的地区提供了新选择，还有助于实现能源多元化，减少对石油基原料的依赖。
在 MTO 工艺中，SAPO-34 催化剂至关重要。它属于菱沸石（CHA）家族的微孔催化剂，拥有特殊结构，其小的八元环（8-MR）通道和大的内部空腔，为甲醇转化提供了理想环境，能高效将甲醇转化为轻质烯烃，且凭借小孔径（约 3.8 ?）展现出良好的择形性，减少副产物生成，提高轻质烯烃选择性 。
然而，SAPO-34 催化剂在实际应用中面临严峻挑战 —— 积炭失活。随着反应进行，碳质沉积物在催化剂小孔内不断积累，堵塞活性位点，降低催化效率。由于其狭窄的通道结构，较大的烃类和积炭前体难以扩散出去，使得积炭问题更为严重。积炭受反应条件、沸石结构、催化剂性质等多种因素影响，如反应温度，低温时积炭通过缩合和重排反应形成，高温（高于 623 K）时还涉及二次反应 。较小的晶体尺寸和较高的酸位点浓度也会加速积炭和催化剂失活，最终导致甲醇转化率下降。
为解决这一难题，各国科研人员纷纷发力，尝试多种策略。例如，减小晶体尺寸可增加催化剂的外比表面积，缩短扩散路径，提高活性位点可及性，降低积炭可能性；引入介孔或大孔构建层次结构，能改善扩散性能，减轻积炭堆积 。后合成修饰技术也被广泛应用，像酸碱刻蚀、脱铝、脱硅等，可引入介孔、调节酸度、优化硅铝比，但由于 SAPO-34 化学稳定性相对较低，这些修饰需用弱酸或弱碱，以防结构受损。
在此背景下，来自国外的研究人员开展了一项深入研究。他们采用综合表征和催化性能分析手段，对 SAPO-34 催化剂进行三种后合成处理，分别是酸性刻蚀（制备出 SP34-A）、碱性刻蚀（制备出 SP34-B）和序贯酸碱刻蚀（制备出 SP34-AB），并以未修饰的 SAPO-34（SP34-P）作为参照。研究借助分子动力学（MD）模拟、NH3-TPD 酸度测量、zeta 电位分析等技术，深入探究表面电位电荷对催化剂性能的影响。该研究成果发表在《Applied Catalysis A: General》上，为优化 SAPO-34 催化剂提供了重要理论依据和实践指导。
研究人员采用了多种关键技术方法。利用分子动力学（MD）模拟从理论层面探究表面电位电荷变化对催化过程的影响；通过 NH3-TPD 酸度测量来分析催化剂的酸性特征；借助 zeta 电位分析确定催化剂表面电位电荷情况。在制备催化剂时，采用两步水热结晶法，以特定试剂为模板剂和原料合成 SAPO-34 催化剂，为后续研究提供样本。
下面来看具体的研究结果：
- 表面电位电荷对催化过程的影响：研究发现，表面电位电荷对催化剂性能影响显著。酸性刻蚀的 SP34-A 表面电荷高度负（?67 mV），这使得甲醇吸附增强，但却限制了中间物种的溢出效率，导致甲醛积累，积炭增加，催化剂寿命缩短。相反，碱性刻蚀的 SP34-B 表面带正电荷（+22 mV），能增强中间物种溢出，调节甲醇吸附强度，减少积炭形成，延长催化剂稳定性。而序贯酸碱刻蚀的 SP34-AB 表面电荷为 + 16.9 mV，达到了良好的平衡状态，优化了甲醇吸附、溢出行为和扩散效率。这种平衡有效减少了二次反应，将催化剂寿命延长至 586 min，是 SP34-P 的 1.63 倍，同时提高了轻质烯烃选择性，达到 88.82%，展现出优异的催化性能。
- 结构和织构分析结果：对催化剂进行结构和织构分析后发现，序贯刻蚀诱导产生的层次孔隙结构发挥了重要作用。这种结构增强了传质过程，减轻了扩散限制，有效防止了过度积炭，进一步提升了催化剂性能。
研究结论表明，表面电位电荷在 SAPO-34 催化剂的 MTO 催化过程中起着关键作用，它直接影响甲醇吸附、中间物种稳定性和积炭形成。MD 模拟和实验分析共同证实，酸性刻蚀虽然增强甲醇吸附，但限制溢出，引发甲醛滞留和催化剂快速失活；碱性刻蚀则能减少积炭。序贯酸碱刻蚀的催化剂综合性能最佳，为优化 SAPO-34 催化剂提供了有效策略。
该研究意义重大，首次揭示了表面电位电荷在 MTO 过程中对 SAPO-34 催化剂性能的影响机制，将表面电位电荷确立为设计 SAPO-34 催化剂的关键参数。同时，证明序贯酸碱刻蚀是一种提升 MTO 效率和催化剂寿命的有效修饰策略，为后续相关研究和工业应用提供了重要参考，有助于推动甲醇制烯烃工艺的进一步发展，提升化工生产的可持续性。
