近日,中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所的研究團(tuán)隊(duì)采用酸性分子篩作為催化劑,將CO2與輕質(zhì)烷烴發(fā)生催化耦合反應(yīng),促進(jìn)芳烴的生成,產(chǎn)物中芳烴選擇性高達(dá)80%。在特定條件下,約75%的CO2轉(zhuǎn)化為CO,約25%的CO2碳原子直接進(jìn)入芳烴產(chǎn)物。相關(guān)研究成果發(fā)表于《催化學(xué)報(bào)》。

目前芳烴主要通過石腦油催化重整等石化路線生產(chǎn),存在原料和目標(biāo)產(chǎn)品間碳?xì)洳黄胶獾膯栴}。引入CO2與富氫的烷烴耦合調(diào)控其反應(yīng)的碳?xì)淦胶?提高目標(biāo)產(chǎn)物選擇性,將CO2轉(zhuǎn)化為有用的化工原料或產(chǎn)品,以實(shí)現(xiàn)CO2資源化利用,對傳統(tǒng)芳烴生產(chǎn)具有重大意義。

該研究團(tuán)隊(duì)以HZSM-5分子篩為催化劑,對比正丁烷、正戊烷和正己烷在氦氣和CO2氣氛中的轉(zhuǎn)化反應(yīng),并研究分子篩酸性、反應(yīng)溫度、壓力、CO2加入量等條件對耦合反應(yīng)的影響。結(jié)果表明,CO2的引入可大幅促進(jìn)芳烴生成,同時(shí)抑制甲烷和乙烷等小分子烷烴生成。

該研究團(tuán)隊(duì)對反應(yīng)后的催化劑進(jìn)行分析,發(fā)現(xiàn)大量甲基取代的內(nèi)酯和甲基取代的環(huán)烯酮等含氧物種,并通過同位素標(biāo)記試驗(yàn)和一系列驗(yàn)證試驗(yàn)證實(shí)這些含氧中間體由CO2與烴類耦合轉(zhuǎn)化生成,耦合反應(yīng)發(fā)生的途徑為CO2與碳正離子反應(yīng)得到環(huán)內(nèi)酯,環(huán)內(nèi)酯進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲基環(huán)烯酮,甲基環(huán)烯酮轉(zhuǎn)化為芳烴產(chǎn)物。并進(jìn)一步采用密度泛函理論計(jì)算耦合反應(yīng)機(jī)理各步驟的能壘,驗(yàn)證耦合反應(yīng)機(jī)理的可行性。

該研究證實(shí)CO2與烷烴耦合反應(yīng)不僅可以將其轉(zhuǎn)化為CO,更重要的是部分CO2的碳原子可以直接進(jìn)入芳烴產(chǎn)物,促進(jìn)芳烴的生成并提高產(chǎn)物中芳烴選擇性,為CO2大規(guī)模資源化利用提供一條有效途徑。