镧系金属有机框架（Ln-MOF）协同氢供体实现重油绿色高效催化降粘：深层油藏节能开发新策略

为解决塔河油田深层重油流动性差及热降粘能耗高的难题，研究人员创新开发了原位催化氢供体辅助低温裂解体系。通过水热晶面定向生长策略合成Ln-MOF（Ln=La/Ce/Pr）催化剂，在140℃下与四氢萘构建动态超分子催化界面，实现沥青质拓扑解聚，24小时内降粘率达90.8%，能耗降低67%。该研究为深层重油绿色开发提供了理论模型与工艺范式。

　　

在全球能源需求持续增长的背景下，重油因其储量丰富成为重要战略资源，但高粘度特性导致开采困难。中国塔里木盆地塔河油田的重油储量可观，却面临深层储层（埋深超6000米）热损失严重、常规化学驱替失效等挑战。当前主要采用稀释降粘技术，但成本高昂且环境友好性差。如何实现低温高效降粘，成为突破重油开发瓶颈的关键科学问题。

针对这一难题，中国科学院化学研究所等机构的研究人员独辟蹊径，将前沿的金属有机框架（MOF）材料引入能源化学工程领域。他们通过精确调控镧系金属（La/Ce/Pr）活性中心的电子状态，设计出具有可控Lewis酸性和纳米级孔道结构的Ln-MOF催化剂，与氢供体四氢萘协同作用，在《Green Chemical Engineering》发表了这项突破性研究成果。

研究团队采用水热晶面定向生长技术合成Ln-MOF，通过X射线光电子能谱（XPS）和透射电镜（TEM）证实其具有高密度Ce³⁺
活性位点；结合分子动力学模拟与热重分析（TGA），揭示了催化剂对重油组分的吸附-活化机制；利用高温高压反应釜评价降粘性能，并建立6000米井筒举升模拟系统验证工业可行性。

3.1 催化剂结构表征
通过SEM/TEM观察到Ce-MOF呈150纳米球形聚集体，比La/Pr-MOF（500纳米棒状）具有更高比表面积（7.639 m²
/g）。³¹
P MAS NMR显示Ce-MOF的Lewis酸密度达0.82 mmol/g，其Ce-O键能（半峰宽28 cm^-1
）显著优于其他镧系元素，为催化活性奠定基础。

3.2 降粘性能分析
在140℃/24小时条件下，0.5% Ce-MOF与1%四氢萘组合使重油粘度从35,292 mPa·s降至3,210 mPa·s（降粘率90.8%）。薄层色谱（TLC）显示沥青质含量降低12.46%，饱和烃增加17.11%，元素分析证实H/C比提升，证实其通过分子重构而非简单裂解实现降粘。

3.3 反应产物解析
GC-MS检测到催化体系萘峰强度是非催化体系的2.3倍，¹
H NMR显示脂肪氢信号增强32%，证实Ce³⁺
/Ce⁴⁺
氧化还原对促进氢转移。XRD发现沥青质（002）晶面间距从0.506 nm增至0.527 nm，说明π-π堆叠作用减弱。

4. 井筒举升模拟
在3000米深度处，Ce-MOF处理原油的压降梯度（ΔP/L=0.21 MPa/m）较未处理油降低44.7%，等效流度比提升3.8倍，最终在0.72 MPa井口压力下实现连续举升。

5. 分子机制阐释
DFT计算表明Ce-MOF使四氢萘C-H键解离能从368.8 kJ/mol降至102.8 kJ/mol。电子局域函数（ELF）分析揭示Ce 4f轨道与沥青质π电子云杂化，诱导C-C键极化。分子动力学模拟测得结合自由能-178.3 kJ/mol，主要源于Ce-O桥氧与杂原子（S/N）的Lewis酸碱作用。

这项研究构建了"吸附-活化-解聚"三阶段理论模型：Ce-MOF通过酸性位点断裂C-S/C-N键，氢供体通过π-π堆叠定向传递活性氢，协同实现沥青质拓扑重构。相较于传统热催化（>200℃），该技术将反应温度降至140℃，能耗降低67%，为重油绿色开发提供新范式。其创新性在于将配位化学理论拓展至能源工程领域，为深层难采油气资源开发提供了跨学科解决方案。