包信和、潘秀莲等揭示分子筛动态限域作用对合成气转化选择性的调控原理

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近日，我所碳基能源纳米材料研究组（DNL2102组）包信和院士、潘秀莲研究员、焦峰副研究员团队在合成气催化转化研究方面取得新进展，发现了合成气转化中分子筛动态限域作用，并揭示了其对产物选择性的调控原理。
　　该团队于2016年提出金属氧化物和分子筛耦合的双功能OXZEO催化剂设计概念，实现了高选择性地生成C2=-C4=低碳烯烃（Science，2016）。此后，团队就金属氧化物和分子筛催化作用原理、双功能匹配耦合机制开展研究，取得系列进展（Angew. Chem. Int. Ed.，2018；Angew. Chem. Int. Ed.，2019；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；Nat. Commun.，2022；ACS Energy Lett.，2022）。OXZEO技术为煤、天然气、二氧化碳的资源化利用提供了新技术平台，受到广泛关注和研究（Chem. Rev.，2021）。此外，该团队与我所刘中民院士团队、陕西延长石油（集团）有限责任公司合作，建成了世界首套煤经合成气直接制低碳烯烃OXZEO®-TO创新技术的千吨级工业试验装置，并于2020年9月顺利完成了试验。

　　本工作中，该团队围绕合成气转化OXZEO对产物选择性的调控原理，发现了ZnCrOx-SAPO-17双功能催化剂在合成气转化过程中的诱导期现象，SAPO-17分子筛笼的动态限域作用对于产物选择性的调变作用，使乙烯选择性从初始的19%增加到44%，而C4+选择性从39%降低到9%。系列表征结果表明，分子筛笼对碳物种具有限域作用，且碳物种随着反应时间发生演化，导致有效利用空间减小，从而阻碍分子的扩散传质，对于尺寸相对较小的C2分子扩散影响较小，而尺寸相对较大的C4分子扩散影响较大。此外，有效空间的缩小进一步抑制乙烯二次反应。因此，诱导期内，乙烯和丙烯选择性逐渐增加；诱导期结束后，尽管分子筛大部分微孔被占据（93%），但是催化剂并不失活，而是稳定运行，其中乙丙烯选择性达到75%，明显高于由SAPO-18或者SAPO-34构成的双功能OXZZEO催化剂上的乙丙烯选择性。这种分子筛动态限域作用具有一定普适性，这些认识对于未来指导设计更高效催化剂具有重要的指导作用。
　　相关研究成果以“Dynamic Confinement of SAPO-17 Cages on the Selectivity Control of Syngas Conversion”为题，发表在《国家科学评论》（National Science Review）上。该工作的第一作者是我所DNL2102组博士研究生王浩迪。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、中科院A类先导专项“变革性洁净能源关键技术与示范”、中国科学院青年创新促进会、大连市科技创新基金、辽宁省自然科学基金等项目的资助。（文/图 焦峰、王浩迪）
　　文章链接：https://doi.org/10.1093/nsr/nwac146
           文章来源：大连化物所
      包信和，男，汉族，1959生于江苏省。理学博士，中国科学院大连化学物理研究所研究员，博士生导师。1987年获复旦大学理学博士学位；1987-1989年在复旦大学化学系任教；1989-1995年获洪堡基金资助在德国马普协会柏林FRITZ-HABER研究所进行合作研究；1995年至今，在大连化学物理研究所工作，任催化基础国家重点实验室研究员，博士生导师，所学术委员会主任，洁净能源国家实验室（筹）能源基础和战略研究部部长，中国科学院研究生院教授；2000年8月至2007年2月，任中国科学院大连化学物理研究所所长；2009年4月至2014年6月任中国科学院沈阳分院院长；2009年当选为中国科学院院士；2015年7月至2017年6月任复旦大学常务副校长；2017年6月8日起任中国科学技术大学校长。
       潘秀莲博士，国家杰出青年科学基金获得者，大连化学物理研究所研究员，碳基能源纳米材料研究组组长，博士生导师，致力于能源转化中催化作用的基础研究工作，并在限域催化方面取得了一些成果，在国际学术刊物上发表了系列有影响力的论文包括Science, Nature Mater., Nature Commun., Acc. Chem. Res.，PNAS，Angew. Chem. Int. Ed., J. Am. Chem. Soc.等。主持了国家自然科学基金重点项目、面上项目、国家重点基础研究发展计划（973）课题以及国际合作项目。