【动态】大连化物所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
近日，大连化物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大连化物所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