分子筛是石油化工催化剂的母体，在石油化工催化尤其是酸催化过程中担当重要角色。以ZSM-5分子筛为基体的催化剂在诸如烃裂解反应、甲醇/二甲醚转化等酸催化反应过程中显示出良好的应用前景。然而，人们对于分子筛酸催化活性中心的认识还不够深入，对一些催化反应的详细机理尚缺乏本质的认识，许多基础的科学问题需要通过进一步的研究给出答案。本论文致力于运用光谱、波谱等研究手段，表征ZSM-5分子筛在典型的酸催化过程中的活性中心，对各种类型的酸中心进行详细的区分，对各种酸中心的活性功能进行精确的指认，在分子原子水平上建立起活性中心与催化性能的本质联系;运用多种原位表征手段研究烃裂解、甲醇转化为烃类等催化反应过程，阐述其详细的反应机理。期望在认识催化基本原理的基础上，将这些基本原理应用到设计开发具有更高活性和选择性的实用催化剂及其催化过程中。论文主要内容和结果如下:　　1.发展建立了一种新的酸强度表征方法，运用吸附碱性探针后的程序升温脱附(TPD)与红外光谱相结合的TPD-IR法，研究了几种分子筛表面的Br(o)nsted酸中心以及Lewis酸中心分布，分别以NH3和吡啶为探针分子，用改进的脱附反应动力学模型计算了碱性探针分子在酸中心上的脱附活化能，并以此量化了各型酸中心的酸强度。计算结果表明，探针分子在分子筛Br(o)nsted酸中心上的脱附符合1级动力学模型，探针分子在分子筛Lewis酸上的脱附符合3级动力学模型;在HY分子筛、HZSM-5分子筛以及SAPO-34分子筛的表面，均存在强度不同的两种Br(o)nsted酸中心，三种分子筛上最强Br(o)nsted酸中心的强度顺序为:HZSM-5＞HY＞SAPO-34;以这种方法测定了改性前后ZSM-5分子筛酸强度的变化，结果表明，经过焙烧脱铝或离子交换改性后，产生了两种不同形态的Lewis酸中心，分别源于非骨架铝物种和金属阳离子基团，两种酸中心均可与分子筛表面Br(o)nsted酸中心产生协同效应，使Br(o)nsted酸中心强度增强。　　2.以原位红外光谱和固体核磁为手段，通过直接测量和探针分子吸附的方法详细表征了ZSM-5分子筛的表面酸性。通过光谱原位测量，结合1HMASNMR谱，研究了分子筛表面的各种羟基，对源于羟基的表面Br(o)nsted酸中心进行了直接表征;以吡啶为光谱表征的探针分子、三甲基膦为固体核磁表征的探针分子，研究了表面酸中心的本质和强度;以氘代吡啶、全氟三丁胺等不同尺寸的碱性分子为探针，研究了表面酸中心的可接近性;探讨了酸中心的来源和功能。ZSM-5分子筛表面源于桥式羟基的Br(o)nsted酸中心主要分布于分子筛孔道内表面，大部分硅羟基位于分子筛的外表面，且具有一定的弱酸性;表面的Lewis酸中心有两种来源，一种是来自于骨架外铝物种的L-site，另一种是来自金属离子的C-site，两种类型Lewis酸中心可以用光谱或核磁的手段加以鉴定和区分，在一定条件下Lewis酸的存在可通过吸电子效应增强Br(o)nsted酸中心的强度。　　3.尝试了以原位的手段对反应过程进行直接研究，设计并实施了一系列原位表征实验以研究烯烃裂解、甲醇转化制烃等酸催化反应过程的机理。通过甲醇在ZSM-5分子筛表面吸附态的原位表征，结合吡啶-甲醇共吸附实验，以及原位状态下的测酸实验，发现了Lewis酸中心在催化转化甲醇过程中的重要作用，研究并阐述了在ZSM-5分子筛表面催化转化甲醇的历程:甲醇首先与HZSM-5分子筛表面的Lewis酸中心发生作用，并在其上脱水生成二甲醚;转化为二甲醚的反应可在200℃完成，温度若进一步升高，脱水、聚合、裂解等反应发生;产物中存在不饱和烃类，低于300℃时，不饱和物为烯烃，高于300℃时，不饱和物以芳烃为主。400℃后，反应完成，最终残留于表面的物种主要是异构烃或者带短取代链的芳烃。进行了烯烃吸附分子筛的原位光谱表征实验，结果表明，一定强度的Br(o)nsted酸中心为烯烃裂解反应的活性中心，单独的Lewis酸中心对裂解反应没有活性。　　4.使用了以原位红外光谱跟踪反应过程以进行积碳反应动力学研究的方法，研究了烃裂解过程中的积碳机理。通过对积碳前后催化剂的酸性表征，积碳反应动力学的原位研究，以及对不同模型催化剂积碳的热失重分析，获得了一系列有价值的结论。研究结果表明:酸强度是积碳反应的重要影响因素，积碳反应优先发生在强酸中心上;对裂解反应几乎没有贡献的Lewis酸中心为积碳反应的活性中心之一，其积碳活性强于Br(o)nsted酸中心;水在反应体系中的存在可以使Lewis酸中心去功能化，因而可以降低反应中的积碳。通过对积碳机理的研究，对催化剂抑制积碳提出了以下建议:催化剂应有适宜的酸强度，制备时应通过适当的改性方法去除强酸中心;以离子交换或金属氧化物负载的方式进行分子筛改性时，应有恰当的交换度或负载量，以避免硬酸中心形成;避免分子筛脱铝形成铝氧型Lewis酸;在保证催化剂水热稳定性的前提下，有水工艺可以降低催化反应中的积碳。