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85%的化工過程都離不開催化劑，但大多數(shù)催化反應卻總面臨兩難的權(quán)衡——反應物的轉(zhuǎn)化率高、目標產(chǎn)物的選擇性就會降低；選擇性提高，轉(zhuǎn)化率就會降低，就像“蹺蹺板”一樣。為了解決這一難題，中國科學院大連化學物理研究所的科研人員在煤經(jīng)合成氣直接轉(zhuǎn)化這個方向上持續(xù)努力，相關(guān)成果19日在線發(fā)表于國際學術(shù)期刊《科學》上。
這一成果由中國科學院大連化學物理研究所焦峰博士、潘秀蓮研究員和包信和院士的研究團隊共同完成。團隊研發(fā)出新一代OXZEO催化劑，將原本架在一個支點兩端的轉(zhuǎn)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的可以自由翱翔的“翅膀”，為實現(xiàn)更精準、更高效的催化提供了一條行之有效的途徑。
包信和介紹，早在2016年，研究團隊創(chuàng)制了一種活性中心分離的氧化物和分子篩復合的催化體系(OXZEO)，成功地實現(xiàn)了反應物活化和產(chǎn)物生成兩個活性中心的有效分離，突破了經(jīng)典費托合成低碳烴選擇性無法逾越58%的理論極限。隨后，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，驗證了這一過程在科學原理上的正確性和工藝過程的可行性。
如今，研究團隊經(jīng)過持續(xù)研究，解開了“蹺蹺板”效應出現(xiàn)的理論謎題——現(xiàn)有分子篩活性中心不僅催化中間體轉(zhuǎn)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，無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)化率和選擇性的同時提高。
在大量實驗基礎(chǔ)上，研究組創(chuàng)造性地研制了金屬鍺離子同晶取代的微孔分子篩，通過提高分子篩孔道中布朗斯特酸位點的密度，最大限度地提高了分子篩孔道對活性中間體的拉動能力，促進了中間體的生成速率，同時適當降低其酸強度，以降低副反應的發(fā)生，雙管齊下，提高催化反應性能。
結(jié)果顯示，在優(yōu)化的反應條件下，該催化劑在保持低碳烯烴選擇性大于80%（最高達83%）的條件下，一氧化碳的單程轉(zhuǎn)化率達到85%，實現(xiàn)了低碳烯烴收率達48%的國際最好水平，超過了第一代OXZEO催化劑的一倍以上。
“我們的發(fā)現(xiàn)對類似雙功能催化體系應該具有普適性，必將會從基礎(chǔ)上推動分子篩催化研究領(lǐng)域的進一步發(fā)展?！迸诵闵徴f，“下一步我們要努力發(fā)展面向工業(yè)過程的新一代OXZEO催化劑，加速工業(yè)化應用的進程。”包信和也提出了更高目標：“未來進一步與可再生能源制備的綠氫相結(jié)合，發(fā)展出我國獨創(chuàng)的低耗水、低碳排放的新型煤化工體系，以此助力保障國家的能源、資源安全和‘雙碳’目標的實現(xiàn)?！?/p>(責編：楊曦、楊迪)關(guān)注公眾號：人民網(wǎng)財經(jīng)
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