基于 SAPO-34 分子筛催化的甲醇制烯烃（MTO）过程，是一个 典型的多尺度复杂多相反应过程，MTO 反应新工艺的开发取决于对 MTO 反应机理的认识。将 MTO 微观反应机理用于流化床反应工艺 开发，需要实现 MTO 微观反应机理和流态化反应工程之间的理论 关联。理论关联建立的核心在于在不同尺度上，理解反应和传递的竞 争与协同，并将其对相应的介尺度结构形成机理和控制机制进行定量 描述。本报告针对分子筛内催化剂积碳的介尺度结构及其对低碳烯烃 选择性的影响，重点介绍在分子筛表界面尺度上，反应和扩散两种机 制竞争和协调对催化剂积炭分布介尺度结构的形成和演化的作用，以 及相应的数学理论描述。首先，开展了基于 SAPO-34 分子筛的反应 与传质理论和实验研究，建立了客体分子反应扩散的定量描述。

沸石分子筛是能源化工、精细化学品以及煤和生物质碳资源高效 利用领域的关键催化材料。设计结构颖，孔径尺寸由微孔向介观尺度 增大的大孔径分子筛，在其晶体骨架中构筑具有特定催化功能的杂原 子活性中心，创制选择氧化以及骨架杂原子与客体贵金属协同催化材 料是该研究领域的热点之一。实现分子筛精准催化需要兼顾其晶体结 构、孔道维度和微介尺寸、晶体形貌和取向性以及原子分子水平活性 位化学微环境的协调匹配等关键科学问题。

沸石分子筛是一类结晶的微孔氧化物材料，广泛应用于吸附分离 与催化等领域。1962 年，X 型沸石首次应用于催化裂化反应。发展至 今，沸石分子筛已经成为石油化工领域最重要的催化材料。分子筛独 特的骨架结构为催化活性位点的构筑提供了理想的平台，可以通过多 种途径构筑分子筛催化材料。将金属活性中心通过限域的形式引入分 子筛结构，构筑分子筛限域金属催化材料，可兼顾金属催化与分子筛 催化的特点[1]。通过简单的合成后处理与原位水热合成路线，我们可 以成功制备三种类型的分子筛限域金属孤立活性位点催化材料：i）分 子筛骨架限域金属离子 Lewis 酸中心，如 Ti-BEA、Sn-BEA 等[2]；ii） 分子筛笼空间限域动态过渡金属中心，如 Cu-CHA[3]；iii）分子筛结 构限域稳定过渡金属配位不饱和中心，如 Ni@FAU、Co@FAU 等[4]， 这些催化材料在不同反应中表现出差异性催化性能，可实现一些非常 具有挑战性的催化转化过程，如甲烷 C-H 键的选择氧化制甲醇以及 丙烯的直接空气环氧化制环氧丙烷。

催化在国民经济中扮演着关键的角色，超过 80%的化学反应过程 涉及催化，但当前多数催化剂依然存在活性或选择性不足的问题，尤 其针对惰性分子活化转化等极具挑战的反应过程。高效新颖催化剂的 设计合成是催化研究永恒的主题，多数是通过对催化活性物种本身进 行调变以提升性能。不同于这一传统思维，我们提出控制扩散提高催 化性能的新策略，设计了“分子围栏”的催化剂理念，据此设计合成了 相应的催化剂结构控制关键物种的扩散，实现了低温条件下甲烷高效 氧化制甲醇的转化过程。在该研究中发现，氢气和氧气原位生成的过 氧化氢物种在反应体系中的空间分布是关键控制因素，因此致力于在 介观尺度上控制过氧化氢物种的扩散行为，实现局部高浓度富集以提 升其氧化能力。根据这一理念，提出并实现了“分子围栏”催化剂的制 备。在低温甲烷氧化反应中，由于疏水壳层的“围栏”效应，过氧化氢 物种被富集在沸石晶体内部形成局部高浓度，较传统反应体系浓度提 升了四个数量级。

负载型贵金属催化剂近百年已广泛应用于能源转换、环境治理以 及化学合成等领域。其中，活性金属的分散度(粒径)是决定催化剂活 性、选择性和稳定性的关键因素。遗憾的是，对于粒径在几纳米范围 的实用金属催化剂，金属分散度通常仍然小于 50%，这意味着约有一 半的金属原子不参与反应。因此，制备高分散的金属催化剂长期以来 成为人们努力的焦点。