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人民網(wǎng)北京5月20日電 （記者趙竹青）記者從中國科學院獲悉，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隊在煤經(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”瓶頸問題提供了一個行之有效的科學方法。相關研究成果于5月19日發(fā)表在《科學》（Science）雜志上。

化學工業(yè)中，85%以上的過程都依賴于催化劑來加速反應速率。但在大多數(shù)情況下，決定催化反應效率的兩個重要參數(shù)——反應物的轉(zhuǎn)化率和目標產(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，無法同時兼顧。如何解開這種“糾纏”，破解“蹺蹺板”效應，實現(xiàn)更精準、更高效的催化，是催化基礎科學和應用研究的重要挑戰(zhàn)，也是催化研究工作者一直努力的方向。

據(jù)《科學》雜志2016年報道，該團隊在研究煤經(jīng)合成氣直接轉(zhuǎn)化為低碳烯烴過程中，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。在國際上首次實現(xiàn)了一氧化碳轉(zhuǎn)化率為17%時，低碳烯烴的選擇性高達80%，從而突破了百年來經(jīng)典費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。據(jù)統(tǒng)計，國內(nèi)外現(xiàn)有20余個研究團隊基于該概念進行系統(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。

為了進一步認識和理解該創(chuàng)新反應的機理，提高該過程的催化反應效率，大連化物所潘秀蓮和包信和研究組與中國科學技術大學研究團隊緊密配合，進行了系統(tǒng)深入地基礎研究和理論分析。結果發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有分子篩活性中心不僅催化主反應，也催化了副反應，因此這個共同的活性中心就像“蹺蹺板”的支點一樣，轉(zhuǎn)化率一端提高了，另一端的選擇性就降低，無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)化率和選擇性的同時提高，從而導致了低碳烯烴收率無法提高。實驗結果表明，加速中間體的傳輸和轉(zhuǎn)化，同時降低分子篩孔道中副反應的發(fā)生，是解開這種“糾纏”的有效途徑。

在大量實驗基礎上，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），通過提高對活性中間體的拉動能力，促進中間體的生成速率，降低副反應的發(fā)生，雙管齊下，提高催化反應性能。這樣，就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翅膀，可以自由翱翔。

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%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。該結果在線發(fā)表于最新一期《科學》上。

“該研究對類似雙功能催化體系應該具有普適性，必將從基礎上推動分子篩催化研究領域的進一步發(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合，發(fā)展我國獨創(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)。