沸石催化剂在乙烯低聚反应中积炭特性的光谱与色谱研究及其失活机制解析

研究人员针对沸石催化剂在乙烯低聚反应中因积炭失活的问题，通过光谱（FT-IR、UV-vis）与色谱（GC-MS）技术结合TPO-MS（程序升温氧化-质谱联用），揭示了积炭的组成（多环芳烃、长链烷烃）与微孔结构的关联性，发现介孔引入可抑制积炭形成。该研究为设计抗积炭催化剂提供了关键理论依据。

　　

在可持续化工领域，乙烯作为生物乙醇等可再生资源转化的关键中间体，其低聚反应是生产高附加值化学品（如丙烯、芳烃）的核心步骤。然而，工业应用中沸石催化剂（如ZSM-5）因积炭（coke）沉积导致快速失活，成为制约工艺效率的瓶颈。积炭的化学组成、形成位置与催化剂结构的关系尚不明确，使得针对性设计抗积炭催化剂面临挑战。为此，波兰国家科学中心资助的研究团队通过多尺度表征技术，揭示了沸石微孔结构与积炭特性的内在关联，成果发表于《Catalysis Today》。

研究采用热重分析（TGA）、傅里叶变换红外光谱（FT-IR）、紫外-可见光谱（UV-vis）结合程序升温氧化-质谱联用（TPO-MS），对商业ZSM-5及其脱硅脱铝改性样品（分级孔道结构）进行系统分析。通过16小时乙烯低聚反应后的积炭表征，结合气相色谱-质谱（GC-MS）解析积炭分子组成。

材料与催化剂改性
商业NH₄
ZSM-5（Si/Al=11.5）经脱硅（碱处理）和脱铝（酸处理）构建分级孔道，通过Na⁺
/NH₄
⁺
离子交换调控酸性。XRD证实MFI结构保留，但严重处理导致结晶度降至82%。

结构-积炭关联性
微孔体积（V_micro
）与积炭量呈正相关，表明积炭主要形成于微孔。介孔引入（如脱硅样品）显著降低积炭量（减少30%），且积炭芳香性减弱。强酸位点（Br?nsted酸）促进多环芳烃（如芘、菲）生成，而介孔主导样品以长链烷烃和单环芳烃为主。

积炭氧化行为
TPO-MS显示长链烷烃（300-400°C）先于多环芳烃（>500°C）氧化，且微孔内积炭需更高氧化温度。脱铝样品因酸位减少，积炭氧化温度降低50°C。

分子组成解析
GC-MS检出C₁₀
-C₂₀
烷烃、烷基苯、萘（仅微孔样品），严重改性样品中多环芳烃含量极低，印证介孔抑制芳构化路径。

该研究明确了沸石微孔与强酸位是积炭（尤其是多环芳烃）形成的“热点”，而分级孔道设计可有效调控积炭特性。结论为工业催化剂再生策略（如低温氧化、金属改性）提供了理论支撑，同时为可再生资源转化催化剂的定向设计开辟了新思路。作者Oliwia Rogala等强调，未来需进一步探索介孔-酸位协同作用对反应选择性的影响，以平衡催化活性与抗积炭性能。