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人民網(wǎng)北京5月20日電 （記者趙竹青）記者從中國(guó)科學(xué)院獲悉，中科院大連化物所焦峰博士、潘秀蓮研究員和包信和院士的研究團(tuán)隊(duì)在煤經(jīng)合成氣直接轉(zhuǎn)化制烯烴方面有了新的創(chuàng)新，為破解高活性和高選擇性難以兼得這一“蹺蹺板”瓶頸問(wèn)題提供了一個(gè)行之有效的科學(xué)方法。相關(guān)研究成果于5月19日發(fā)表在《科學(xué)》（Science）雜志上。

化學(xué)工業(yè)中，85%以上的過(guò)程都依賴(lài)于催化劑來(lái)加速反應(yīng)速率。但在大多數(shù)情況下，決定催化反應(yīng)效率的兩個(gè)重要參數(shù)——反應(yīng)物的轉(zhuǎn)化率和目標(biāo)產(chǎn)物的選擇性往往相互糾纏，就像“蹺蹺板”一樣，轉(zhuǎn)化率提高了，選擇性就降低，此消彼長(zhǎng)，無(wú)法同時(shí)兼顧。如何解開(kāi)這種“糾纏”，破解“蹺蹺板”效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)更精準(zhǔn)、更高效的催化，是催化基礎(chǔ)科學(xué)和應(yīng)用研究的重要挑戰(zhàn)，也是催化研究工作者一直努力的方向。

據(jù)《科學(xué)》雜志2016年報(bào)道，該團(tuán)隊(duì)在研究煤經(jīng)合成氣直接轉(zhuǎn)化為低碳烯烴過(guò)程中，創(chuàng)制了一種活性中心分離的氧化物和分子篩復(fù)合的催化體系(OXZEO)，成功地實(shí)現(xiàn)了反應(yīng)物活化和產(chǎn)物生成兩個(gè)活性中心的有效分離。在國(guó)際上首次實(shí)現(xiàn)了一氧化碳轉(zhuǎn)化率為17%時(shí)，低碳烯烴的選擇性高達(dá)80%，從而突破了百年來(lái)經(jīng)典費(fèi)托合成低碳烴選擇性難以逾越的58%理論極限。

隨后，研究所與企業(yè)合作，于2020年在工廠(chǎng)完成了年產(chǎn)低碳烯烴1000噸的工業(yè)性試驗(yàn)，驗(yàn)證了這一過(guò)程在科學(xué)原理上的正確性和工藝過(guò)程的可行性。據(jù)統(tǒng)計(jì)，國(guó)內(nèi)外現(xiàn)有20余個(gè)研究團(tuán)隊(duì)基于該概念進(jìn)行系統(tǒng)研究，研究體系從合成氣轉(zhuǎn)化拓展到了二氧化碳的高效利用。

為了進(jìn)一步認(rèn)識(shí)和理解該創(chuàng)新反應(yīng)的機(jī)理，提高該過(guò)程的催化反應(yīng)效率，大連化物所潘秀蓮和包信和研究組與中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)緊密配合，進(jìn)行了系統(tǒng)深入地基礎(chǔ)研究和理論分析。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有分子篩活性中心不僅催化主反應(yīng)，也催化了副反應(yīng)，因此這個(gè)共同的活性中心就像“蹺蹺板”的支點(diǎn)一樣，轉(zhuǎn)化率一端提高了，另一端的選擇性就降低，無(wú)法實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)化率和選擇性的同時(shí)提高，從而導(dǎo)致了低碳烯烴收率無(wú)法提高。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，加速中間體的傳輸和轉(zhuǎn)化，同時(shí)降低分子篩孔道中副反應(yīng)的發(fā)生，是解開(kāi)這種“糾纏”的有效途徑。

在大量實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)上，研究組最近創(chuàng)造性地研制了金屬鍺離子同晶取代的微孔分子篩（GeAPO-18），通過(guò)提高對(duì)活性中間體的拉動(dòng)能力，促進(jìn)中間體的生成速率，降低副反應(yīng)的發(fā)生，雙管齊下，提高催化反應(yīng)性能。這樣，就將原本架在一個(gè)支點(diǎn)兩端的轉(zhuǎn)化率和選擇性“蹺蹺板”，蝶變成觸接在兩個(gè)相互分開(kāi)活性位上的翅膀，可以自由翱翔。

在優(yōu)化的反應(yīng)條件下，該催化劑在保持低碳烯烴選擇性大于80%的條件下，一氧化碳的單程轉(zhuǎn)化率達(dá)到85%，實(shí)現(xiàn)了低碳烯烴收率達(dá)48%的國(guó)際最好水平，超過(guò)了第一代OXZEO催化劑的一倍以上。該結(jié)果在線(xiàn)發(fā)表于最新一期《科學(xué)》上。

“該研究對(duì)類(lèi)似雙功能催化體系應(yīng)該具有普適性，必將從基礎(chǔ)上推動(dòng)分子篩催化研究領(lǐng)域的進(jìn)一步發(fā)展?！迸诵闵彵硎?，下一步將努力發(fā)展面向工業(yè)過(guò)程的新一代OXZEO催化劑，加速工業(yè)化應(yīng)用的進(jìn)程。

包信和也提出了更高目標(biāo)：未來(lái)進(jìn)一步與可再生能源制備的綠氫相結(jié)合，發(fā)展我國(guó)獨(dú)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(guó)家的能源、資源安全和“雙碳”目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。