甲醇制烯烃（MTO）技术开辟了利用非石油原料生产低碳烯烃的新途径。尽管在工业应用方面取得了显著进展，但对完整反应机制的理解仍有待研究。中国科学院大连化学物理研究所刘中民、魏迎旭&徐舒涛团队撰写专题文章，总结了课题组在（原位）固体核磁技术在MTO反应过程中的最新应用进展，涵盖了不同反应阶段的机理研究以及有机物种与分子筛骨架间的主客体相互作用。这些对MTO反应动态演化过程的理解以及为催化过程的优化和高效催化剂的开发奠定了坚实的基础。
甲醇转化制烯烃（MTO）反应是利用非石油原料（如煤炭、天然气、生物质和二氧化碳）生产轻烯烃的重要催化过程。该反应自1977年被Mobil公司发现以来，在学术界和工业界都引起了极大的关注。2010年，中国科学院大连化学物理研究所（DICP）成功实现了首个商业化生产烯烃的技术，即DMTO技术，这为利用丰富的非石油资源生产烯烃开辟了新领域。目前已实现技术实施许可35套，烯烃产能达每年2320万吨，约占全国当前烯烃产能的三分之一，引领了我国煤制烯烃产业的快速发展。
理解MTO的机理对于提高催化剂效率、降低工艺成本和开发高性能催化剂至关重要。由于其独特的酸性和结构，分子筛一直是工业上特别是在MTO过程广泛使用的催化剂。在反应过程中，分子筛的酸性和结构与MTO反应过程中各个阶段的反应物、中间体和过渡态、以及产物相互作用，导致MTO机理具有的动态性和复杂性的特点。
原位固体核磁共振（ssNMR）谱学是一种强大的方法，可以获取在真实反应条件下催化剂上全物种动态演化的信息。该技术提供了从静态到动态的多尺度信息，包括反应物/中间体的吸附和演化、产物的形成和扩散，以及在MTO过程中反应物/中间体与沸石骨架之间的主客体相互作用。近日，中国科学院大连化学物理研究所刘中民、魏迎旭&徐舒涛在SCIENCE CHINA Chemistry杂志上发表了题为“Applications of in-situ solid-state nuclear magnetic resonance (ssNMR) in methanol to olefins (MTO) reaction”的专题文章，详细介绍了该团队近年来应用固体核磁共振技术研究MTO过程中动态反应机制和主客体相互作用的最新进展，重点阐述了该技术在研究MTO不同阶段反应机制中的应用。此外，强调了通过129Xe NMR与二维ssNMR方法，深入揭示了MTO过程中的分子筛与反应物、积碳物种和水之间的主客体相互作用。文章最后对原位固体核磁共振技术在MTO反应机理研究领域的应用进行了总结和展望。作者指出，开发能够在高压、高温的连续流动条件下工作的原位固体核磁技术，对于揭示真实反应条件下催化剂和限域物种的结构与行为具有重要意义。同时，结合固体核磁共振技术与其他高时间分辨的原位技术及理论计算方法，能够在原子/分子水平上深入理解催化剂的结构和反应机理，为新一代催化剂和工艺的开发与优化提供理论支持。
论文第一作者为大连化学物理研究所低碳催化技术国家工程研究中心博士后牛晶，通讯作者为徐舒涛研究员。
详见：Jing Niu , Shutao Xu , Yingxu Wei , Zhongmin Liu. Applications of in-situ solid-state nuclear magnetic resonance (ssNMR) in methanol to olefins (MTO) reaction. Sci. China Chem., 2024, DOI:10.1007/s11426-024-2266-8.
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