研究人員發現合成氣轉化中分子篩動態限域作用

近日，中科院大連化學物理研究所（以下簡稱大化所）包信和院士、研究員潘秀蓮、副研究員焦峰團隊在合成氣催化轉化研究方面取得新進展，發現了合成氣轉化中分子篩動態限域作用，并揭示了其對產物選擇性的調控原理。相關研究成果發表在《國家科學評論》。

該團隊于2016年提出金屬氧化物和分子篩耦合的雙功能OXZEO催化劑設計概念，實現了高選擇性地生成C2=-C4=低碳烯烴。此后，團隊就金屬氧化物和分子篩催化作用原理、雙功能匹配耦合機制開展研究，取得系列進展。OXZEO技術為煤、天然氣、二氧化碳的資源化利用提供了新技術平臺，受到廣泛關注和研究。此外，該團隊大化所劉中民院士團隊、陜西延長石油（集團）有限責任公司合作，建成了世界首套煤經合成氣直接制低碳烯烴OXZEO-TO創新技術的千噸級工業試驗裝置，并于2020年9月順利完成了試驗。

該工作中，該團隊圍繞合成氣轉化OXZEO對產物選擇性的調控原理，發現了ZnCrOx-SAPO-17雙功能催化劑在合成氣轉化過程中的誘導期現象，SAPO-17分子篩籠的動態限域作用對于產物選擇性的調變作用，使乙烯選擇性從初始的19%增加到44%，而C4+選擇性從39%降低到9%。系列表征結果表明，分子篩籠對碳物種具有限域作用，且碳物種隨著反應時間發生演化，導致有效利用空間減小，從而阻礙分子的擴散傳質，對于尺寸相對較小的C2分子擴散影響較小，而尺寸相對較大的C4分子擴散影響較大。此外，有效空間的縮小進一步抑制乙烯二次反應。因此，誘導期內，乙烯和丙烯選擇性逐漸增加；誘導期結束后，盡管分子篩大部分微孔被占據（93%），但是催化劑并不失活，而是穩定運行，其中乙丙烯選擇性達到75%，明顯高于由SAPO-18或者SAPO-34構成的雙功能OXZEO催化劑上的乙丙烯選擇性。

這種分子篩動態限域作用具有一定普適性，這些認識對于未來指導設計更高效催化劑具有重要的指導作用。