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百年經典反應新突破,浙大催化研究登《科學》

發布時間:2022-07-22來源:浙大融媒體中心作者:柯溢能 盧紹慶0

費托合成(Fischer–Tropsch synthesis),又稱F-T合成,是以合成氣(一氧化碳和氫氣的混合氣體,主要來源于煤炭,生物質的氣化)為原料,通常在鐵基或鈷基催化劑和適當條件下合成碳氫化合物的工藝過程。該技術是19世紀20年代由德國化學家 Franz Fischer 和Hans Tropsch開發。由費托合成過程獲得烯烴產品(Fischer-Tropsch synthesis to olefins, FTO)也是煤制烯烴的重要手段,但是當前反應過程依然存在反應溫度高、效率不足等問題。發展低溫、高效的催化劑對于煤炭的清潔利用獲得大宗化學品具有重要意義。

浙江大學化學工程與生物工程學院肖豐收教授、王亮研究員團隊與中國科學院精密測量科學與技術創新研究院鄭安民研究員團隊合作,研究FTO過程中關鍵反應物種的擴散對該過程的重要影響,發現在CO加氫過程中生成的少量水會吸附在催化劑表面抑制CO和氫氣分子的吸附與轉化,該問題在低溫反應過程中更為明顯。如何進一步提高催化劑的低溫反應活性的同時又保持優異的烯烴選擇性,成為了迫切需要解決的問題。

近日,該團隊報道了一種控制催化劑表面微觀環境中水物種的吸-脫附平衡的策略,通過將一種疏水助劑聚二乙烯基苯與經典鈷基催化劑物理混合,實現了催化性能的大幅提升。在250 °C下,CO的單程轉化率達到63.5%,同時保持71.4%的碳氫化合物為低碳烯烴產物(C2-C4=)。這項研究于7月22日刊登在國際頂級期刊《科學》,論文共同第一作者為方偉博士生、王成濤博士和劉志強博士,論文共同通訊作者為肖豐收教授、王亮研究員和鄭安民研究員。

不同于傳統費托催化劑的研究,浙大團隊獨辟蹊徑,將目光聚焦到反應產物在催化劑表面的吸-脫附微平衡調控上。肖豐收說:““這個想法也很簡單,我們通過催化劑和助劑物理混合的方式,在催化劑表面構筑特定的微觀環境,同時促進產物的脫附和抑制其再吸附,推動反應進行?!绷硗?,通過物理混合的方法,可以對現有催化劑“無損”的情況下對反應性能進行調控,優于通常采用的化學修飾方法。

這種聚二乙烯基苯具有超疏水的表面。當催化劑中混入這個材料后,反應產物水就會迅速脫附和擴散。雖然整個反應體系內的氣氛組成沒有變化,但是活性位點所處的微觀環境會變得相對“干燥”,這為催化劑持續高效工作提供了有利條件?!拔覀儼言瓉肀凰趽醯幕钚晕稽c釋放出來,催化反應就可以持續推進?!蓖趿琳f。

大道至簡,這一小小的改變,讓轉化效率提升一倍,同時對產物的選擇性也進行了優化,實現低溫條件下的高效率。

對于未來的應用,肖豐收說,這種物理混合的新型催化體系,不需要改造現有工業反應路線,就能夠高效率地應用于生產實踐,讓煤炭發揮更大的作用。 

(文 柯溢能/攝影 盧紹慶 科研圖片由受訪團隊提供

 

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