近日，中国科学院大连化学物理研究所刘中民院士、魏迎旭研究员团队在《国家科学评论》（National Science Review, NSR）发表综述文章，概述了分子筛催化甲醇制烯烃（MTO）反应的笼控制择形催化原理：笼控制反应中间体、反应途径、复杂反应网络、积碳失活及扩散，以及“扩散-反应-分子筛材料”多尺度交互作用机制，提出基于笼控制择形催化原理的调控策略。文章第一作者为张雯娜副研究员，通讯作者为刘中民院士和魏迎旭研究员，该文将收录于NSR“绿色碳科学”专题中。

分子筛催化甲醇制烯烃（MTO）过程的成功开发和工业应用，为非石油资源生产烯烃开辟了一条创新高效途径，同时也促进了C1化学和分子筛催化的发展。中国科学院大连化物所研发了“煤经甲醇制取低碳烯烃（DMTO）”技术，并于2010年在世界上首次实现工业化，大连化物所在自主创新煤化工过程领域处于世界领先地位，目前已经研发出二代（DMTO-II）和三代（DMTO-III）技术，成为通过非石油资源生产乙烯和丙烯的重要路线，煤制烯烃工业化的成功形成了烯烃生产的新产业格局。持续保持新兴煤化工产业的竞争力和可持续性，需要不断加深对催化反应过程基本原理和选择性控制原理的全面认识，以支撑新材料和工艺技术发展。

分子筛催化剂具有特殊多样的催化微环境，其独特的孔道/笼结构和酸性质在MTO择形催化中表现出明显优势。特别是具有八元环小孔笼结构的分子筛，分子筛催化剂与客体反应物、中间体和产物之间展现出特殊的主客体相互作用。分子筛笼结构的差异带来了产物分布、催化剂失活和分子扩散的巨大差异，八元环小孔笼结构分子筛上“反应—扩散—催化材料”之间的多尺度动态交互作用机制决定了MTO反应的动态历程和催化性能。

如下图所示，在这篇综述中，作者从笼控制反应中间体、反应途径、复杂反应网络、积碳失活及扩散，以及“扩散-反应-分子筛材料”多尺度交互作用机制多个角度阐述了MTO反应过程笼控制择形催化原理，提出基于笼控制择形催化原理的调控策略，并展望了未来MTO过程的优化和精确控制面临的机遇和挑战，具体如下：

八元环笼结构分子筛催化甲醇转化过程中的笼控制择形催化原理

笼控制MTO反应行为：笼结构和尺寸直接控制反应活性、产物选择性和反应失活，作者综述了具有相似孔口大小但不同笼结构的典型八元环笼结构分子筛催化甲醇转化中反应行为和产物分布的差异，通过理解笼控制MTO反应行为建立MTO反应调控机制。

笼控制反应中间体和反应路径：分子筛特殊笼结构催化微环境使得MTO反应过程中反应中间体和反应路径复杂化，这种特殊的催化微环境驱动着MTO反应的动态演变历程。作者从笼控制烃池物种的生成和复杂反应网络中烯烃生成的优势反应路径阐述了笼控制作用。

笼控制积碳生成和催化剂失活:作者介绍了SAPO-34中的积碳物种和失活方式、低温金刚烷物种的发现、多甲基苯到多甲基萘演变过程中关键前驱体的识别以及稠环芳烃物种跨笼积碳失活机制的建立，逐步加深对SAPO-34分子筛积碳失活认识，并讨论了不同笼结构分子筛的积碳失活机制。

笼控制扩散行为：作者阐述了笼结构分子筛的扩散行为，关联了笼结构和孔口尺寸在扩散中的作用，进而揭示了笼结构分子筛的扩散机制。该综述还总结了考虑酸性质和限域烃池物种条件下的分子扩散作用，指出扩散和反应耦合研究的必要性。

最后，作者结合MTO反应过程中反应和催化材料的多尺度交互特性，综述了“扩散-反应-分子筛材料”多尺度交互作用机制，揭示真实的交互择形催化作用和机理。指出发展择形催化材料和实现高效反应过程的关键是通过相互修饰，相互协调，相互引导实现“扩散-反应-催化剂”之间最为优化的时空耦合。基于笼控制择形催化原理，总结了当前潜在的笼控制调控策略，如分子筛笼催化环境修饰，催化剂预积碳，催化剂水蒸气再生等策略。未来MTO催化剂和工艺的技术创新需要在理解笼控制择形催化原理基础上，实现对催化材料和工艺条件的优化，通过精准控制反应、积碳和扩散来达到最优的甲醇转化和产物分布。

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Cavity-controlled methanol conversion over zeolite catalysts. National Science Review, Volume 10, Issue 9, nwad120. https://doi.org/10.1093/nsr/nwad120