作者:陆成宽 来源:科技日报 发布时间:2023/5/19 22:56:56
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我国科学家创制新型双功能催化剂

 

鱼与熊掌也可兼得!5月19日,《科学》发表了一项关于煤经合成气直接转化制烯烃的最新成果。在大量实验基础上,中国科学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创制了一种新型的双功能催化剂。该催化剂在保持低碳烯烃选择性大于80%的条件下,一氧化碳的单程转化率达到85%,低碳烯烃收率达48%。这项研究成果破解了高活性和高选择性无法兼得的难题。

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‘鱼与熊掌不可兼得’的难题,破解‘跷跷板’效应,实现更精准、更高效地催化,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。”潘秀莲说。

此前,研究团队成功将反应物活化和产物生成两个活性中心分离,在国际上首次实现了一氧化碳转化率为17%时,低碳烯烃的选择性高达80%,从而突破了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。

这一结果2016年在《科学》发表后,引起了同行的高度关注和称赞,随即研究所与企业合作,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。

为进一步认识和理解该创新反应的机理,提高该过程的催化反应效率,研究人员与中国科学技术大学研究团队紧密配合,又进行了系统深入的基础研究和理论分析。

他们发现,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,是破解这种“跷跷板”效应的有效途径,在大量实验的基础上,成功创制了新催化剂——金属锗离子同晶取代分子筛与金属氧化物耦合的双功能催化剂,解决了过去高活性与高选择性无法同时实现的技术挑战。

这项研究解开了催化反应中转化率和选择性不可兼得的难题,“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,他说:“未来,我们将这项成果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。”

(原题:《最新成果:我国科学家创制新型双功能催化剂》)

 
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