中國石化上海石油化工研究院的乙烯分子在八元環分子篩中擴散性能研究獲進展

近日，中國石化上海石油化工研究院的研究團隊采用分子動力學模擬系統研究了甲醇制烯烴(MTO)和合成氣直接制烯烴(STO)反應中重要產物乙烯分子在7種代表性籠狀結構的八元環分子篩(LEV，CHA，AEI，ERI，AFX，SFW，RHO)中的擴散性能，考察負載量和溫度的影響。相關研究成果發表于《無機化學前沿》雜志。

籠狀結構的八元環小孔分子篩是MTO和STO技術制備乙烯、丙烯等低碳烯烴的核心催化材料。產物烯烴的選擇性與催化反應動力學和擴散動力學緊密關聯。分子篩的籠結構影響低碳烯烴的擴散性能，對催化性能的調控起著至關重要的作用。然而目前對相關分子篩的擴散動力學關注較少，八元環小孔分子篩結構與擴散動力學(自擴散系數、能壘和指前因子)之間的潛在定量關系尚不清楚。

該研究團隊在計算自擴散系數和擴散自由能的基礎上，提出了兩個簡單的結構描述因子，即小孔八元環分子篩的孔口尺寸和每個硅原子的可接觸空間體積，來分別量化乙烯自擴散動力學的活化能和指前因子。乙烯的擴散隨著溫度和負載量的增加而加快，并且與分子篩結構緊密相關。RHO結構中乙烯擴散最快，而ERI結構中擴散最慢，在較低的溫度和負載下，乙烯擴散均方位移(MSD)差異可高達兩個數量級。自擴散活化能隨八元環孔口直徑的增大而線性降低，與乙烯負載量基本無關，按照ERI>LEV>SFW≈AFX>CHA>AEI>RHO的順序降低。在乙烯負載量與硅原子數比值相同的情況下，自擴散指前因子隨著每個硅原子的可接觸空間體積的增大而線性增加，自擴散指前因子基本按照ERI≈LEV

該研究從理論上揭示并量化了八元環分子篩中影響乙烯擴散動力學的本征結構特征，提出的結構描述因子和線性關系，可為其他限域體系客體分子擴散研究提供借鑒。