近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室李燦院士團(tuán)隊(duì)在CO2催化加氫制備芳烴研究方面取得新進(jìn)展：通過(guò)串聯(lián)式催化劑體系直接將CO2高選擇性的轉(zhuǎn)化為芳烴，該研究成果在《焦耳》（Joule）上發(fā)表。
大連化物所二氧化碳加氫制芳烴研究取得新進(jìn)展
李燦團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于太陽(yáng)能光催化、光電催化、電催化分解水制氫和CO2轉(zhuǎn)化工作。利用來(lái)自清潔能源的氫將CO2轉(zhuǎn)化為燃料及化學(xué)品是實(shí)現(xiàn)CO2減排和碳資源可持續(xù)利用的一個(gè)重要策略。芳烴是有機(jī)材料合成中重要的基本化工原料之一，利用芳烴可以合成眾多的聚合物材料，例如聚苯乙烯、苯酚樹脂、尼龍，以及聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯樹脂等。傳統(tǒng)芳烴的合成方法主要是石腦油的裂解和近年來(lái)發(fā)展的基于煤制甲醇的甲醇制芳烴（MTA）路徑，均需要依賴化石資源（石油和煤）。因此，利用可再生能源的氫將CO2轉(zhuǎn)化為具有高附加值的芳烴，使CO2以聚合物材料的形式儲(chǔ)存下來(lái)，既可以實(shí)現(xiàn)CO2碳資源化利用，又可以起到減排CO2作用，具有重要的戰(zhàn)略意義。然而，CO2在熱力學(xué)上是惰性的分子，實(shí)現(xiàn)CO2的活化和高選擇性的轉(zhuǎn)化存在較大的困難和挑戰(zhàn)。
在該工作中，李燦研究團(tuán)隊(duì)基于CO2在ZnZrO固溶體上加氫制備甲醇（Science Advances 2017）的研究，以及CO2在ZnZrO/SAPO串聯(lián)體系上加氫制備低碳烯烴（ACS Catal. 2017）的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步構(gòu)建了ZnZrO/ZSM-5串聯(lián)催化劑體系。該催化劑將CO2加氫高選擇性的轉(zhuǎn)化為芳烴，CO2單程轉(zhuǎn)化率為14%時(shí)，烴類中芳烴的選擇性達(dá)到73%至78%。研究發(fā)現(xiàn)CO2加氫到芳烴的關(guān)鍵是串聯(lián)催化劑的有效協(xié)同。紅外光譜、化學(xué)捕獲等實(shí)驗(yàn)表明CO2和H2在ZnZrO固溶體氧化物上被活化生成CHxO中間物種，中間物種從ZnZrO表面遷移到分子篩孔道中，進(jìn)而完成芳烴的生成。串聯(lián)催化劑之間的協(xié)同機(jī)制，以及關(guān)鍵中間物種CHxO的表面遷移實(shí)現(xiàn)了CO2加氫直接到芳烴反應(yīng)在熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)上的耦合。研究還表明，CO2加氫反應(yīng)中生成的H2O對(duì)烯烴的芳構(gòu)化有明顯的促進(jìn)作用。由于在反應(yīng)體系中H2O及CO2的存在，其提供了弱氧化氛圍，抑制了催化劑上多環(huán)芳烴的生成，延長(zhǎng)了催化劑的壽命，該催化劑在100小時(shí)的反應(yīng)過(guò)程中沒有明顯失活。該技術(shù)為CO2轉(zhuǎn)化拓展了新的思路。
該工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金以及中科院戰(zhàn)略性先導(dǎo)科技專項(xiàng)的資助。
