實現(xiàn)“雙碳”目標離不開二氧化碳的減排，而二氧化碳的規(guī)模化高附加值利用是極具挑戰(zhàn)性的重要戰(zhàn)略方向。4月3日，記者從中國科學院大連化學物理研究所了解到，該所劉中民院士團隊提出了二氧化碳與烷烴耦合制備芳烴大宗化學品的新途徑。

 

　　研究團隊發(fā)現(xiàn)使用酸性分子篩作為催化劑，可催化二氧化碳與輕質(zhì)烷烴發(fā)生耦合反應(yīng)，同時促進芳烴的生成，產(chǎn)物中芳烴選擇性高達80%。在特定條件下，約3/4的二氧化碳轉(zhuǎn)化為可用作化工原料的一氧化碳產(chǎn)物，進一步研究證實約1/4已轉(zhuǎn)化的二氧化碳的碳原子直接進入了芳烴產(chǎn)物。

 

　　據(jù)介紹，將二氧化碳作為原料高效轉(zhuǎn)化為大宗化學品一直是巨大挑戰(zhàn)。芳烴是有機化工中重要的基礎(chǔ)原料，目前主要通過石腦油催化重整等石化路線進行生產(chǎn)，存在原料和目標產(chǎn)品之間碳氫不平衡的問題。引入二氧化碳與富氫的烷烴耦合調(diào)控其反應(yīng)的碳氫平衡，提高目標產(chǎn)物選擇性，同時將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的化工原料或產(chǎn)品，以實現(xiàn)二氧化碳資源化利用，對傳統(tǒng)芳烴生產(chǎn)技術(shù)具有變革性意義。

 

　　研究團隊以HZSM-5分子篩為催化劑，對比研究了正丁烷、正戊烷和正己烷在氦氣和二氧化碳氣氛中的轉(zhuǎn)化反應(yīng)，并詳細研究了分子篩酸性、反應(yīng)溫度、壓力、二氧化碳加入量等條件對耦合反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，二氧化碳的引入可大幅促進芳烴的生成，同時甲烷和乙烷等小分子烷烴的生成受到抑制。

 

　　對反應(yīng)后的催化劑進行分析，研究團隊發(fā)現(xiàn)了大量甲基取代的內(nèi)酯和甲基取代的環(huán)烯酮等含氧物種。通過同位素標記實驗和一系列驗證實驗，他們證實這些含氧中間體由二氧化碳與烴類耦合轉(zhuǎn)化生成，提出并證明了耦合反應(yīng)發(fā)生的途徑，即二氧化碳與碳正離子反應(yīng)得到環(huán)內(nèi)酯，環(huán)內(nèi)酯進一步轉(zhuǎn)化為甲基環(huán)烯酮，甲基環(huán)烯酮轉(zhuǎn)化為芳烴產(chǎn)物。研究團隊進一步采用密度泛函理論計算了耦合反應(yīng)機理各步驟的能壘，驗證了耦合反應(yīng)機理的可行性。

 

　　“這項成果最大的亮點是證實了二氧化碳與烷烴耦合反應(yīng)不僅可以將其轉(zhuǎn)化為一氧化碳，更重要的是部分二氧化碳的碳原子可以直接進入芳烴產(chǎn)物，促進芳烴的生成并提高產(chǎn)物中芳烴的選擇性，為二氧化碳大規(guī)模資源化利用提供了一條有效的途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。”劉中民表示，將二氧化碳作為碳資源進行高附加值利用，對實現(xiàn)“雙碳”目標的技術(shù)路徑設(shè)計具有重大意義。