乙烯是现代社会最重要的基础化工原料之一，其生产严重依赖高耗能（>800°C）的蒸汽裂解工艺，且副产大量甲烷，导致碳原子利用效率低。发展低温、低甲烷选择性的催化裂解新工艺，对化工行业的节能降碳与成本控制具有重要意义。
12月11日，中国石油化工股份有限公司石油化工科学研究院许友好、中国科学技术大学黄伟新、中国科学院过程工程研究所鲁波娜在国际知名期刊Nature Communications发表题为《In-situ formation of [AlO4]0 site for confined catalytic cracking to ethylene with low methane selectivity》的研究论文。该研究团队报道了一种高效催化裂解1-戊烯制乙烯的新方法。在700°C下，使用特制ZSM-5催化剂，实现了乙烯/丙烯比例达1.31，同时将甲烷选择性抑制在5%以下。该反应条件与现有工业催化裂化装置兼容，为从轻质油馏分生产乙烯提供了一条极具潜力的节能降碳新路线。
图1. 在线真空紫外光电离质谱（SVUV-PIMS）表征。a）光子能量为9.2 eV时采集的谱图：750 ℃下二氧化硅（SiO2）、550 ℃和700 ℃下催化剂上1-戊烯裂解反应的PIMS谱图。反应条件：氩气（Ar）中含70% 1-C5H10气体，压力2 Torr，流速100 sccm。b）分子筛上1-戊烯裂解反应中，SVUV-PIMS谱图中气态乙基自由基（C2H5•）、烯丙基自由基（C3H5•）和戊烯基自由基（C5H9•）的强度随反应温度的变化。c）分子筛中C2H5•离子强度与C3H5•离子强度的推导相关性。d）乙烯（C2H4）离子强度、e）归一化的C2H4/丙烯（C3H6）比及C2H4/甲烷（CH4）比与分子筛中C5H9•自由基离子强度的相关性。
研究的关键突破在于揭示了一种全新的沸石催化机理。 传统沸石催化遵循酸催化的碳正离子路径，倾向于生成丙烯而非乙烯。本研究创新性地发现，在特定条件下，ZSM-5沸石的桥式羟基（Brønsted酸位）可原位转化为非酸性的[AlO₄]⁰活性位点。在此位点上，1-戊烯通过脱氢反应生成关键的戊烯基自由基（C₅H₉•）中间体，该中间体在沸石孔道的限域环境下发生后续反应，最终优先生成乙烯。
合肥光源的真空紫外光电离质谱（SVUV-PIMS）技术为本研究提供了决定性实验证据。 如图1所示，利用SVUV-PIMS高灵敏度、可探测活泼自由基的独特优势，研究团队首次在线捕捉到了催化反应过程中产生的气态戊烯基自由基（C₅H₉•）信号，并证实其与目标产物乙烯的生成呈正相关。这一直接观测结果，为验证全新的“限域催化自由基（CCR）机理”提供了关键支撑。
该成果不仅为乙烯的绿色高效生产提供了新思路，也显著拓展了人们对沸石催化多样性的认知边界。
许友好、黄伟新、鲁波娜为论文共同通讯作者，阳文杰、白云星、郑默为论文共同第一作者。本研究在合肥光源燃烧和质谱线站完成了自由基中间体的检测实验，合肥光源刘成园高级工程师和潘洋教授提供了关键的技术支持与指导。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-66273-y#data-availability
