OXZEO双功能催化剂。 中科院大连化物所 供图
中新网北京5月19日电 (记者 孙自法)记者19日从中国科学院获悉，中国科学院大连化学物理研究所(中科院大连化物所)科研团队继2016年创制出一种氧化物-分子筛双功能催化剂体系(OXZEO)，从原理上开创一条低耗水和低排放的煤转化新途径，并与企业合作开展工业性试验之后，以其为基础持续开展深入研究和大量实验，最新又成功破解催化反应中转化率和选择性相互纠缠难以兼得的“跷跷板”效应，实现低碳烯烃收率达48%的目前国际最好水平。
这项助力保障能源、资源安全和实现“双碳”(碳达峰、碳中和)目标的重要研究成果论文，北京时间5月19日凌晨在国际著名学术期刊《科学》(Science)上在线发表。
高通量固定床多相催化反应系统催化剂装填操作。 中科院大连化物所 供图
中科院大连化物所介绍说，化学工业中，85%以上的过程都依赖于催化剂来加速反应速率。但在大多数情况下，决定催化反应效率的两个重要参数——反应物的转化率和目标产物的选择性往往相互纠缠，就像“跷跷板”一样，转化率提高了，选择性就降低，此消彼长，无法同时兼顾。如何解开这种“纠缠”，破解“跷跷板”效应，实现更精准、更高效的催化，是催化基础科学和应用研究的重要挑战，也是催化研究工作者一直努力的方向。
中科院大连化物所焦峰博士、潘秀莲研究员和包信和院士的研究团队，在研究煤基合成气(一氧化碳和氢气的混合气)直接转化为低碳烯烃过程中，发现在传统金属或金属碳化物催化剂上，反应物一氧化碳和氢气分子的活化与产物分子低碳烯烃(包括乙烯、丙烯、丁烯)的生成，在开放的催化剂表面同一种催化反应活性中心上发生。经过大量研究，研究团队创制出一种活性中心分离的氧化物和分子筛复合的催化体系，并成功实现反应物活化和产物生成两个活性中心的有效分离，在国际上首次实现一氧化碳转化率为17%时，低碳烯烃的选择性高达80%，从而突破百年来经典费托合成低碳烃选择性难以逾越的58%理论极限。该过程省去水煤气变换和中间产物的合成步骤，从原理上开创了一条低耗水和低排放的煤转化新途径。
这一重要突破成果论文2016年在《科学》发表后，引起中外同行广泛关注，中科院大连化物所随即与相关企业合作，创制出氧化物-分子筛双功能催化剂，并于2020年在企业完成年产低碳烯烃1000吨的工业性试验，验证该成果在科学原理上的正确性和工艺过程的可行性。据统计，中外现有20余个研究团队基于该概念进行系统研究，研究体系从合成气转化拓展到二氧化碳的高效利用。
在此基础上，为进一步认识和理解该创新反应机理，提高其催化反应效率，潘秀莲和包信和团队与中国科学技术大学团队紧密配合，通过系统深入的基础研究和理论分析发现，现有分子筛活性中心不仅催化中间体转化生成低碳烯烃的主反应，同时催化低碳烯烃过度加氢生成低价值的烷烃或者过度聚合成大分子烯烃的副反应，因此，这个共同的活性中心就像“跷跷板”的支点一样，转化率一端提高，另一端的选择性就降低，无法实现转化率和选择性的同时提高，从而导致低碳烯烃收率无法提高。研究团队的实验结果表明，加速中间体的传输和转化，同时降低分子筛孔道中副反应的发生，是解开这种纠缠“跷跷板”效应的有效途径。
创新双功能催化剂打破煤经合成气制烯烃反应中活性-选择性的“跷跷板”。 中科院大连化物所 供图
在本项研究中，研究团队通过大量实验，创造性研制出金属锗离子同晶取代的微孔分子筛(GeAPO-18)，最大限度提高分子筛孔道对活性中间体的拉动能力，促进中间体的生成速率，同时适当降低其酸强度，减少碳-碳偶联过程中的过度加氢和过度聚合，以此降低副反应的发生，双管齐下提高催化反应性能。这样，就将原本架在一个支点两端的转化率和选择性“跷跷板”，蝶变成触接在两个相互分开活性位上可以自由翱翔的“翅膀”。在优化的反应条件下，该催化剂在保持低碳烯烃选择性大于80%(最高为83%)的条件下，一氧化碳的单程转化率达到85%，实现低碳烯烃收率达48%的目前国际最好水平，超过第一代催化剂的一倍以上。
潘秀莲研究员指出，这种通过活性中心分离，以及分子筛孔道和酸性位密度和结构特性调控优化反应中间体传输与反应动力学，打破催化反应中转化率和选择性纠缠的“跷跷板”效应的概念，对类似双功能催化体系应该具有普适性，必将会从基础上推动分子筛催化研究领域的进一步发展。下一步，研究团队要努力发展面向工业过程的新一代氧化物-分子筛双功能催化剂，加速工业化应用的进程。
包信和院士则提出更高目标表示，未来进一步与可再生能源制备的绿氢相结合，发展出中国独创的低耗水、低碳排放的新型煤化工体系，以此助力保障国家的能源、资源安全和“双碳”目标的实现。(完)
