固体酸催化反应中催化剂结构与反应性能关系的固体核磁共振和量化计算研究

本项目针对固体酸催化反应中催化剂的结构与性能这一基本物理化学问题开展研究工作。发展用于固体酸表面酸性位（活性中心）结构及相互作用研究的固体核磁共振新方法，利用固体核磁共振（NMR）实验技术并结合量化计算，揭示固体酸催化剂的结构与反应性能的关系。采用原位固体NMR结合GC-MS重点考察固体酸的酸强度、酸种类对催化活性的影响，揭示表面酸性与催化活性及选择性的内在关系；捕捉反应过程中的活性中间体，考察催化剂骨架及孔道的限域效应对中间体的形成与性能的影响；阐明一些在固体酸上进行的重要催化反应（低碳烷烃活化、烷基化、异构化等）的机理以及固体酸催化剂的失活机理，为高性能固体酸催化剂的合成、改性和应用提供依据。

固体酸催化剂（如沸石分子筛、氧化物、杂多酸等）由于具有环境友好、产物选择性高等优点而被广泛应用于石油化工的各种催化过程。本项目针对固体酸催化剂结构与反应性能关系这一科学问题，发展固体NMR表征方法，用NMR实验结合量化计算研究了催化剂酸中心结构效应和孔道限域效应对反应性能的影响。主要成果如下：（1）建立了用丙酮和三甲基磷两种探针分子的化学位移测量固体酸催化剂酸强度的方法；（2）建立了研究固体酸催化剂酸中心协同作用的27Al-27Al双量子魔角旋转NMR实验技术；（3）揭示了固体酸催化剂酸强度及孔道限域效应对催化反应的影响; （4）揭示了在Zn改性H-ZSM-5沸石分子筛催化剂上甲烷的低温活化与转化、CO的室温氧化以及甲烷与CO、甲烷与CO2共转化的反应机理。