魚與熊掌也可兼得！5月19日，《科學》發(fā)表了一項關于煤經合成氣直接轉化制烯烴的最新成果。在大量實驗基礎上，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創(chuàng)制了一種新型的雙功能催化劑。該催化劑在保持低碳烯烴選擇性大于80%的條件下，一氧化碳的單程轉化率達到85%，低碳烯烴收率達48%。這項研究成果破解了高活性和高選擇性無法兼得的難題。
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。但在大多數情況下，決定催化反應效率的兩個重要參數——反應物的轉化率和目標產物的選擇性往往相互糾纏，就像“蹺蹺板”一樣，轉化率提高了，選擇性就降低，此消彼長，無法同時兼顧。
“如何解開這種‘魚與熊掌不可兼得’的難題，破解‘蹺蹺板’效應，實現(xiàn)更精準、更高效地催化，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?！迸诵闵徴f。
此前，研究團隊成功將反應物活化和產物生成兩個活性中心分離，在國際上首次實現(xiàn)了一氧化碳轉化率為17%時，低碳烯烴的選擇性高達80%，從而突破了百年來經典費托合成低碳烴選擇性難以逾越的58%理論極限。
這一結果2016年在《科學》發(fā)表后，引起了同行的高度關注和稱贊，隨即研究所與企業(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。
為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，研究人員與中國科學技術大學研究團隊緊密配合，又進行了系統(tǒng)深入的基礎研究和理論分析。
他們發(fā)現(xiàn)，加速中間體的傳輸和轉化，同時降低分子篩孔道中副反應的發(fā)生，是破解這種“蹺蹺板”效應的有效途徑，在大量實驗的基礎上，成功創(chuàng)制了新催化劑——金屬鍺離子同晶取代分子篩與金屬氧化物耦合的雙功能催化劑，解決了過去高活性與高選擇性無法同時實現(xiàn)的技術挑戰(zhàn)。
這項研究解開了催化反應中轉化率和選擇性不可兼得的難題，“對類似雙功能催化體系應該具有普適性，必將會從基礎上推動分子篩催化研究領域的進一步發(fā)展。”潘秀蓮說，“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，他說：“未來，我們將這項成果與可再生能源制備的綠氫相結合，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>
（中科院大連化物所供圖）
