OXZEO雙功能催化劑。 中科院大連化物所 供圖
中新網北京5月19日電 (記者 孫自法)記者19日從中國科學院獲悉，中國科學院大連化學物理研究所(中科院大連化物所)科研團隊繼2016年創製出一種氧化物-分子篩雙功能催化劑體系(OXZEO)，從原理上開創一條低耗水和低排放的煤轉化新途徑，並與企業合作開展工業性試驗之後，以其為基礎持續開展深入研究和大量實驗，最新又成功破解催化反應中轉化率和選擇性相互糾纏難以兼得的「蹺蹺板」效應，實現低碳烯烴收率達48%的目前國際最好水平。
這項助力保障能源、資源安全和實現「雙碳」(碳達峰、碳中和)目標的重要研究成果論文，北京時間5月19日凌晨在國際著名學術期刊《科學》(Science)上在線發表。
高通量固定床多相催化反應系統催化劑裝填操作。 中科院大連化物所 供圖
中科院大連化物所介紹說，化學工業中，85%以上的過程都依賴於催化劑來加速反應速率。但在大多數情況下，決定催化反應效率的兩個重要參數——反應物的轉化率和目標產物的選擇性往往相互糾纏，就像「蹺蹺板」一樣，轉化率提高了，選擇性就降低，此消彼長，無法同時兼顧。如何解開這種「糾纏」，破解「蹺蹺板」效應，實現更精準、更高效的催化，是催化基礎科學和應用研究的重要挑戰，也是催化研究工作者一直努力的方向。
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隊，在研究煤基合成氣(一氧化碳和氫氣的混合氣)直接轉化為低碳烯烴過程中，發現在傳統金屬或金屬碳化物催化劑上，反應物一氧化碳和氫氣分子的活化與產物分子低碳烯烴(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活性中心上發生。經過大量研究，研究團隊創製出一種活性中心分離的氧化物和分子篩複合的催化體系，並成功實現反應物活化和產物生成兩個活性中心的有效分離，在國際上首次實現一氧化碳轉化率為17%時，低碳烯烴的選擇性高達80%，從而突破百年來經典費托合成低碳烴選擇性難以逾越的58%理論極限。該過程省去水煤氣變換和中間產物的合成步驟，從原理上開創了一條低耗水和低排放的煤轉化新途徑。
這一重要突破成果論文2016年在《科學》發表後，引起中外同行廣泛關注，中科院大連化物所隨即與相關企業合作，創製出氧化物-分子篩雙功能催化劑，並於2020年在企業完成年產低碳烯烴1000噸的工業性試驗，驗證該成果在科學原理上的正確性和工藝過程的可行性。據統計，中外現有20餘個研究團隊基於該概念進行系統研究，研究體系從合成氣轉化拓展到二氧化碳的高效利用。
在此基礎上，為進一步認識和理解該創新反應機理，提高其催化反應效率，潘秀蓮和包信和團隊與中國科學技術大學團隊緊密配合，通過系統深入的基礎研究和理論分析發現，現有分子篩活性中心不僅催化中間體轉化生成低碳烯烴的主反應，同時催化低碳烯烴過度加氫生成低價值的烷烴或者過度聚合成大分子烯烴的副反應，因此，這個共同的活性中心就像「蹺蹺板」的支點一樣，轉化率一端提高，另一端的選擇性就降低，無法實現轉化率和選擇性的同時提高，從而導致低碳烯烴收率無法提高。研究團隊的實驗結果表明，加速中間體的傳輸和轉化，同時降低分子篩孔道中副反應的發生，是解開這種糾纏「蹺蹺板」效應的有效途徑。
創新雙功能催化劑打破煤經合成氣制烯烴反應中活性-選擇性的「蹺蹺板」。 中科院大連化物所 供圖
在本項研究中，研究團隊通過大量實驗，創造性研製出金屬鍺離子同晶取代的微孔分子篩(GeAPO-18)，最大限度提高分子篩孔道對活性中間體的拉動能力，促進中間體的生成速率，同時適當降低其酸強度，減少碳-碳偶聯過程中的過度加氫和過度聚合，以此降低副反應的發生，雙管齊下提高催化反應性能。這樣，就將原本架在一個支點兩端的轉化率和選擇性「蹺蹺板」，蝶變成觸接在兩個相互分開活性位上可以自由翱翔的「翅膀」。在優化的反應條件下，該催化劑在保持低碳烯烴選擇性大於80%(最高為83%)的條件下，一氧化碳的單程轉化率達到85%，實現低碳烯烴收率達48%的目前國際最好水平，超過第一代催化劑的一倍以上。
潘秀蓮研究員指出，這種通過活性中心分離，以及分子篩孔道和酸性位密度和結構特性調控優化反應中間體傳輸與反應動力學，打破催化反應中轉化率和選擇性糾纏的「蹺蹺板」效應的概念，對類似雙功能催化體系應該具有普適性，必將會從基礎上推動分子篩催化研究領域的進一步發展。下一步，研究團隊要努力發展面向工業過程的新一代氧化物-分子篩雙功能催化劑，加速工業化應用的進程。
包信和院士則提出更高目標表示，未來進一步與可再生能源製備的綠氫相結合，發展出中國獨創的低耗水、低碳排放的新型煤化工體系，以此助力保障國家的能源、資源安全和「雙碳」目標的實現。(完)
