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近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所焦峰副研究員、潘秀蓮研究員、包信和院士團(tuán)隊(duì)揭示合成氣直接轉(zhuǎn)化領(lǐng)域長(zhǎng)期存在的“高轉(zhuǎn)化率和高選擇性難以兼顧”瓶頸的科學(xué)根源，創(chuàng)新催化劑，“解開”主反應(yīng)與副反應(yīng)的“糾纏”。在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)低碳烯烴選擇性和一氧化碳單程轉(zhuǎn)化率同時(shí)超過(guò)80%，低碳烯烴單程收率達(dá)48%，遠(yuǎn)超目前國(guó)際最高水平27%。

　　化學(xué)工業(yè)中，85%以上的過(guò)程都依賴于催化劑來(lái)加速反應(yīng)速率。但在大多數(shù)情況下，決定催化反應(yīng)效率的兩個(gè)重要參數(shù)——反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性往往相互糾纏，就像“蹺蹺板”一樣，轉(zhuǎn)化率提高了，選擇性就降低，此消彼長(zhǎng)，無(wú)法同時(shí)兼顧。如何解開這種“糾纏”，打破“蹺蹺板”效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、更高效的催化，是催化基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用研究的重要挑戰(zhàn)，也是催化研究工作者一直努力的方向。

　　團(tuán)隊(duì)前期在研究煤基合成氣（一氧化碳和氫氣的混合氣）直接轉(zhuǎn)化為低碳烯烴過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)在傳統(tǒng)金屬或金屬碳化物催化劑上，反應(yīng)物一氧化碳和氫氣（即CO和H2）分子的活化與產(chǎn)物分子低碳烯烴（包括乙烯、丙烯、丁烯）的生成，在開放的催化劑表面同一種催化反應(yīng)活性中心上發(fā)生，因此無(wú)法精確控制碳-碳偶聯(lián)，導(dǎo)致了烴類產(chǎn)物碳鏈長(zhǎng)度分布較寬。經(jīng)過(guò)大量研究，研究組創(chuàng)制了一種氧化物和分子篩復(fù)合的催化體系(OXZEO)。該體系中，反應(yīng)物一氧化碳和氫氣的活化解離、以及活性中間體乙烯酮CH2CO的生成均在氧化物ZnCrOx表面進(jìn)行，中間體通過(guò)擴(kuò)散進(jìn)入分子篩孔道，隨后碳-碳偶聯(lián)生成烯烴的反應(yīng)過(guò)程在分子篩限域孔道中實(shí)現(xiàn)，這樣，團(tuán)隊(duì)成功地實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)物活化和產(chǎn)物生成兩個(gè)活性中心的有效分離。在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了一氧化碳轉(zhuǎn)化率為17%時(shí)，低碳烯烴的選擇性高達(dá)80%，從而突破了百年來(lái)經(jīng)典費(fèi)托合成低碳烴選擇性難以逾越的58%理論極限。這一結(jié)果于2016年在Science報(bào)道后，引起了同行的高度關(guān)注和稱贊，隨即研究所與企業(yè)合作，創(chuàng)制了OXZEO?-TO催化劑，并于2020年在工廠完成了年產(chǎn)低碳烯烴1000噸的工業(yè)性試驗(yàn)，驗(yàn)證了這一過(guò)程在科學(xué)原理上的正確性和工藝過(guò)程的可行性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有20余個(gè)研究團(tuán)隊(duì)基于該概念進(jìn)行系統(tǒng)研究，研究體系從合成氣轉(zhuǎn)化拓展到了二氧化碳的高效利用。

　　隨后的六年多時(shí)間以來(lái)，為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解該創(chuàng)新反應(yīng)的機(jī)理，提高該過(guò)程的催化反應(yīng)效率，研究組進(jìn)行了系統(tǒng)深入地基礎(chǔ)研究和理論分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有分子篩活性中心不僅催化中間體轉(zhuǎn)化生成低碳烯烴的主反應(yīng)，同時(shí)催化低碳烯烴過(guò)度加氫生成低價(jià)值的烷烴或者過(guò)度聚合成大分子烯烴的副反應(yīng)，因此這個(gè)共同的活性中心就像“蹺蹺板”的支點(diǎn)一樣，轉(zhuǎn)化率一端提高了，另一端的選擇性就降低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化率和選擇性的同時(shí)提高，從而導(dǎo)致了低碳烯烴收率低。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加速中間體的轉(zhuǎn)化，同時(shí)降低分子篩孔道中副反應(yīng)的發(fā)生，是解開這種“糾纏”的有效途徑。

　　在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究組創(chuàng)造性地研制了金屬鍺離子同晶取代的微孔分子篩（GeAPO-18），通過(guò)提高分子篩孔道中布朗斯特酸位點(diǎn)的密度，最大限度地提高了分子篩孔道對(duì)活性中間體的拉動(dòng)能力，促進(jìn)了中間體的生成速率，同時(shí)適當(dāng)降低其酸強(qiáng)度，減少碳-碳偶聯(lián)過(guò)程中的過(guò)度加氫和過(guò)度聚合，以此降低副反應(yīng)的發(fā)生，雙管齊下，提高催化反應(yīng)性能。這樣，就將原本架在一個(gè)支點(diǎn)兩端的轉(zhuǎn)化率和選擇性“蹺蹺板”，蝶變成觸接在兩個(gè)相互分開活性位上的翅膀，可以自由翱翔。在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，該催化劑在保持低碳烯烴選擇性大于80%（最高為83%）的條件下，一氧化碳的單程轉(zhuǎn)化率達(dá)到85%，實(shí)現(xiàn)了低碳烯烴收率達(dá)48%的國(guó)際最好水平，超過(guò)了第一代OXZEO催化劑的一倍以上。

　　“這種通過(guò)活性中心分離，以及分子篩孔道和酸性位結(jié)構(gòu)特性調(diào)控優(yōu)化反應(yīng)中間體傳輸與反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，打破催化反應(yīng)‘蹺蹺板’效應(yīng)的概念，對(duì)類似雙功能催化體系應(yīng)該具有普適性，必將會(huì)從基礎(chǔ)上推動(dòng)分子篩催化研究領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展” 潘秀蓮研究員說(shuō)道，“下一步我們要努力發(fā)展面向工業(yè)過(guò)程的新一代OXZEO催化劑，加速工業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程”。包信和院士也提出了更高目標(biāo)，“未來(lái)進(jìn)一步與可再生能源制備的綠氫相結(jié)合，發(fā)展出我國(guó)獨(dú)創(chuàng)的低耗水、低碳排放的新型煤化工體系，以此助力保障國(guó)家的能源、資源安全和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。”

　　相關(guān)研究成果以“Disentangling the activity-selectivity trade-off in catalytic conversion of syngas to light olefins”為題，于5月19日發(fā)表于《科學(xué)》（Science）上。該工作共同第一作者是我所DNL21焦峰副研究員、博士研究生白冰、博士畢業(yè)生李根。該項(xiàng)目的研究得到了國(guó)家自然科學(xué)基金委、國(guó)家科學(xué)技術(shù)部、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)、中國(guó)科學(xué)院青年創(chuàng)新促進(jìn)會(huì)、遼寧省、大連市的資助。（文/焦峰 圖/明明）

　　文章鏈接：https://doi.org/10.1126/science.adg2491