魚與熊掌也可兼得！5月19日，《科學(xué)》發(fā)表了一項(xiàng)關(guān)于煤經(jīng)合成氣直接轉(zhuǎn)化制烯烴的最新成果。在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，中科院大連化物所焦峰博士、潘秀蓮研究員和包信和院士的研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)制了一種新型的雙功能催化劑。該催化劑在保持低碳烯烴選擇性大于80%的條件下，一氧化碳的單程轉(zhuǎn)化率達(dá)到85%，低碳烯烴收率達(dá)48%。這項(xiàng)研究成果破解了高活性和高選擇性無(wú)法兼得的難題。
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(kāi)這種‘魚與熊掌不可兼得’的難題，破解‘蹺蹺板’效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、更高效地催化，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?！迸诵闵徴f(shuō)。
此前，研究團(tuán)隊(duì)成功將反應(yīng)物活化和產(chǎn)物生成兩個(gè)活性中心分離，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2016年在《科學(xué)》發(fā)表后，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。
為進(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，研究人員與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)緊密配合，又進(jìn)行了系統(tǒng)深入的基礎(chǔ)研究和理論分析。
他們發(fā)現(xiàn)，加速中間體的傳輸和轉(zhuǎn)化，同時(shí)降低分子篩孔道中副反應(yīng)的發(fā)生，是破解這種“蹺蹺板”效應(yīng)的有效途徑，在大量實(shí)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，成功創(chuàng)制了新催化劑——金屬鍺離子同晶取代分子篩與金屬氧化物耦合的雙功能催化劑，解決了過(guò)去高活性與高選擇性無(wú)法同時(shí)實(shí)現(xiàn)的技術(shù)挑戰(zhàn)。
這項(xiàng)研究解開(kāi)了催化反應(yīng)中轉(zhuǎn)化率和選擇性不可兼得的難題，“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。”潘秀蓮說(shuō)，“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”。
包信和也提出了更高目標(biāo)，他說(shuō)：“未來(lái)，我們將這項(xiàng)成果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)?！?/p>
（中科院大連化物所供圖）
