近日，我所低碳催化與工程研究部（DNL12）劉中民院士團隊提出了二氧化碳（CO₂）與烷烴耦合制備芳烴大宗化學品的新途徑。團隊發現使用酸性分子篩作為催化劑，可催化CO₂與輕質烷烴發生耦合反應，同時促進芳烴的生成，產物中芳烴選擇性高達80%，進一步研究證實部分CO₂的碳原子直接進入了芳烴產物。

　　CO₂作為碳資源的規?；吒郊又道檬菍崿F其減排的重要方向。然而，由于其熱力學穩定，以CO₂為原料高效轉化為大宗化學品極具挑戰。目前主要通過石腦油催化重整等石化路線進行生產，存在原料和目標產品之間碳氫不平衡的問題。引入CO₂與富氫的烷烴耦合調控其反應的碳氫平衡，提高目標產物選擇性，同時實現CO₂資源化利用，對傳統芳烴生產技術具有重要意義。此前很多研究人員嘗試采用CO₂與烷烴反應，將CO₂轉化為CO并減少氫氣的生成，但均認為CO₂的碳原子沒有進入烴類產物中。

　　本工作中，團隊以H-ZSM-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CO₂氣氛中的轉化反應，并詳細研究了反應溫度、CO₂/n-butane比例、接觸時間、分子篩酸性等條件對耦合反應的影響。結果表明，CO₂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。研究發現，在優化條件下，CO₂/n-butane比例為0.475時，CO₂和n-butane轉化率可分別達17.5%和100%，芳烴選擇性高達80%。結合¹³C同位素標記實驗，團隊證實已轉化CO₂中的碳原子約25%進入芳烴，約75%轉化為CO。對反應后的催化劑進行分析，團隊發現大量甲基取代的內酯和甲基取代的環烯酮等含氧物種。同位素標記實驗結果表明，這些含氧中間體由CO₂與烴類耦合轉化生成。團隊通過一系列驗證實驗證實了耦合反應發生的途徑，即CO₂與碳正離子反應得到環內酯，環內酯進一步轉化為甲基環烯酮，甲基環烯酮轉化為芳烴產物。密度泛函理論計算了耦合反應機理各步驟的能壘，驗證了耦合反應機理的可行性。該項研究提出的耦合反應為CO₂大規模資源化利用提供了一條有效的途徑，具有廣闊的應用前景。

　　相關研究成果以“An efficient way to use CO₂ as chemical feedstock by coupling with alkanes”為題，于近日發表在《催化學報》（Chinese Journal of Catalysis）上。該工作的第一作者是我所DNL1203組博士研究生危長城。上述工作得到了國家自然科學基金等項目的支持。（文/圖 危長城、李金哲）

　　文章鏈接： https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64416-X