我化学家探索催化反应高效精准之路

  【科技前沿】  

  本报北京5月19日电（记者齐芳）85%的化工过程都离不开催化剂，但大多数催化反应却总面临两难的权衡——反应物的转化率高、目标产物的选择性就会降低；选择性提高，转化率就会降低，就像“跷跷板”一样。为了解决这一难题，中国科学院大连化学物理研究所的科研人员在煤经合成气直接转化这个方向上持续努力，相关成果19日在线发表于国际学术期刊《科学》上。

  这一成果由中国科学院大连化学物理研究所焦峰博士、潘秀莲研究员和包信和院士的研究团队共同完成。团队研发出新一代OXZEO催化剂，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的可以自由翱翔的“翅膀”，为实现更精准、更高效的催化提供了一条行之有效的途径。

  包信和介绍，早在2016年，研究团队创制了一种活性中心分离的氧化物和分子筛复合的催化体系(OXZEO)，成功地实现了反应物活化和产物生成两个活性中心的有效分离，突破了经典费托合成低碳烃选择性无法逾越58%的理论极限。随后，研究所与企业合作，创制了OXZEO®-TO催化剂，并于2020年在工厂完成了年产低碳烯烃1000吨的工业性试验，验证了这一过程在科学原理上的正确性和工艺过程的可行性。

  如今，研究团队经过持续研究，解开了“跷跷板”效应出现的理论谜题——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，无法实现转化率和选择性的同时提高。

  在大量实验基础上，研究组创造性地研制了金属锗离子同晶取代的微孔分子筛，通过提高分子筛孔道中布朗斯特酸位点的密度，最大限度地提高了分子筛孔道对活性中间体的拉动能力，促进了中间体的生成速率，同时适当降低其酸强度，以降低副反应的发生，双管齐下，提高催化反应性能。

  结果显示，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%（最高达83%）的条件下，一氧化碳的单程转化率达到85%，实现了低碳烯烃收率达48%的国际最好水平，超过了第一代OXZEO催化剂的一倍以上。

  “我们的发现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。”潘秀莲说，“下一步我们要努力发展面向工业过程的新一代OXZEO催化剂，加速工业化应用的进程。”包信和也提出了更高目标：“未来进一步与可再生能源制备的绿氢相结合，发展出我国独创的低耗水、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。”