近日，我校化学与分子工程学院工业催化研究所/计算化学中心王海丰教授课题组在国际催化领域顶级期刊NatureCatalysis上发表了题为“The kineticbasis of bifunctional OX–ZEO catalysts for syngas conversion to light olefins”的研究论文，报道了团队在双功能金属氧化物-分子筛（OX-ZEO）催化合成气转化制备低碳烯烃动力学基础研究中取得的最新成果。
OX-ZEO催化体系因在合成气直接转化制低碳烯烃中表现出优异的选择性而受到广泛关注。在该催化体系中，合成气首先在金属氧化物组分上转化为乙烯酮（CH2CO）中间体，随后扩散至分子筛孔道内进一步转化为低碳烯烃，两阶段过程耦合突破了传统费托合成中产物选择性ASF分布的限制。然而，金属氧化物与分子筛两组分之间的协同催化机制一直以来缺乏清晰的理论认知，严重制约了催化剂的理性优化与设计。
针对这一关键科学问题，研究团队以代表性ZnCrOx/丝光沸石（MOR）催化剂为模型体系，通过密度泛函理论（DFT）计算获取了该体系的完整反应网络能量学数据，并创新建立了扩散介导的双组分微观动力学模型。该模型首次将金属氧化物表面合成气活化过程、中间体传质过程与分子筛孔道内CH2CO催化转化过程在动力学层面进行定量耦合解析，结合平推流反应器（PFR）模型，实现了对OX-ZEO催化体系的完整时空演化动力学描述。
研究团队发现，在无分子筛组分时，ZnCrOₓ氧化物上的主要产物为甲烷（CH4）；引入MOR分子筛后，低碳烯烃选择性跃升至92%，甲烷仅占8%。时空演化动力学分析揭示其本质在于：分子筛为关键中间体CH2CO提供了高效转化通道，克服了CH2CO在氧化物表面形成的热力学限制，使得碳物种在MOR存在时优先与CO耦合生成CH2CO，而非加氢生成CH4。这一发现从动力学定量层面阐明了分子筛“拉动”效应调控反应选择性的微观机制。研究同时发现，两组分的空间耦合距离对产物选择性呈现倒U形的非线性调控规律：当两组分间距大于5.0 mm时，扩散成为速率控制步骤，CH4选择性占主导；当间距减小至约0.20 mm时，催化性能达到最优，这一预测值与实验结果高度吻合；而当间距进一步减小至化学键合尺度时，Zn物种会迁移至分子筛孔道形成[ZnOH]+活性中心，反而促进乙烯（C2H4）加氢生成乙烷（C2H6），导致低碳烯烃选择性下降。该发现不仅揭示了实验中组分“过近”反而有害的反直觉现象的根源，也为催化剂颗粒混合方式提供了定量依据。
基于上述机理认识，研究团队进一步建立了OX-ZEO体系的广义反应-扩散耦合动力学模型，推导出了催化剂优化的普适性原则与定量公式：最优空速公式F'opt= (k1r × k2r)1/2，以及最优组分匹配判据min(k1r, k2f) > F'Keq2，为高性能OX-ZEO催化剂的开发设计提供了依据。该模型预测结果与实验数据高度吻合，并提出了若干具有潜力的新组分组合方案。本理论研究结果对于揭示OX-ZEO催化体系的协同机制具有广泛意义，同时可为其他相关串联催化过程的描述提供参考。
我校化学与分子工程学院博士后来壮壮为论文第一作者，陈建富副教授和王海丰教授为通讯作者。该研究工作得到了绿色化工与工业催化全国重点实验室、国家重点研发计划、国家自然科学基金以及中央高校基本科研专项资金等平台和项目的支持。
原文链接：https://doi.org/10.1038/s41929-026-01546-3
