本工作中,团队以H-ZSM-5分子筛为催化剂,对比研究了正丁烷、正戊烷和正己烷在氦气和CO2气氛中的转化反应,并详细研究了反应温度、CO2/n-butane比例、接触时间、分子筛酸性等条件对耦合反应的影响。结果表明,CO2的引入可大幅促进芳烃的生成,同时甲烷和乙烷等小分子烷烃的生成受到抑制。研究发现,在优化条件下,CO2/n-butane比例为0.475时,CO2和n-butane转化率可分别达17.5%和100%,芳烃选择性高达80%。结合13C同位素标记实验,团队证实已转化CO2中的碳原子约25%进入芳烃,约75%转化为CO。对反应后的催化剂进行分析,团队发现大量甲基取代的内酯和甲基取代的环烯酮等含氧物种。同位素标记实验结果表明,这些含氧中间体由CO2与烃类耦合转化生成。团队通过一系列验证实验证实了耦合反应发生的途径,即CO2与碳正离子反应得到环内酯,环内酯进一步转化为甲基环烯酮,甲基环烯酮转化为芳烃产物。密度泛函理论计算了耦合反应机理各步骤的能垒,验证了耦合反应机理的可行性。该项研究提出的耦合反应为CO2大规模资源化利用提供了一条有效的途径,具有广阔的应用前景。
相关研究成果以“An efficient way to use CO2 as chemical feedstock by coupling with alkanes”为题,于近日发表在《催化学报》(Chinese Journal of Catalysis)上。该工作的第一作者是我所DNL1203组博士研究生危长城。上述工作得到了国家自然科学基金等项目的支持。(文/图 危长城、李金哲)
文章链接: https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64416-X