廈門大學開發(fā)非費-托途徑合成氣制低碳烯烴雙功能催化劑

近日，廈門大學研究團隊開發(fā)了一種雙功能催化劑，用于非費-托途徑合成氣直接制低碳烯烴過程，該反應突破了傳統(tǒng)費-托途徑選擇性低于60%的限制。此外，該雙功能催化劑在合成氣/CO2制芳烴、汽油、柴油等燃料化學品上也表現(xiàn)出優(yōu)異的性能。相關研究成果發(fā)表于德國《應用化學》雜志。

由金屬(氧化物)和沸石組成的雙功能催化劑廣泛應用于工業(yè)轉化，如生物質轉化、煉油和CO/CO2加氫制碳氫化合物等。該催化劑實現(xiàn)的串聯(lián)催化可整合不同反應，通過協(xié)同效應提高催化性能。但催化劑失活問題也是常見的現(xiàn)象，嚴重影響工業(yè)過程效率和經(jīng)濟性。據(jù)文獻報道，雙功能催化劑失活研究主要集中在金屬(氧化物)燒結長大及分子篩積炭兩方面，對其功能組分間的相互作用導致催化劑性能變化的研究較少。

該研究團隊將In2O3，ZnO，Cr2O3，ZrO24種具有代表性的氧化物與H-ZSM-5分子篩耦合，通過透射電子顯微鏡和一系列光譜表征手段，對工業(yè)條件下CO2加氫前后雙功能催化劑進行表征，揭示其與沸石酸度和催化劑失活的相關性。研究發(fā)現(xiàn)，雙功能催化劑在催化CO2加氫反應上很大程度受功能組分間相互作用影響，其程度取決于氧化物的類型。對于In2O3/H-ZSM-5或ZnO/H-ZSM-5，反應過程中金屬氧化物或其還原物質會遷移到沸石表面，甚至遷移到微孔通道中，這樣會導致Br?nsted酸性位被遷移物種中和，降低C2+烴的生成。而Cr2O3和ZrO2在反應中遷移能力較弱，Cr2O3/H-ZSM-5和ZrO2/H-ZSM-5催化劑對C2+烴選擇性高。

目前，雙功能催化劑在CO/CO2加氫制高值化學品過程中的失活主要歸結于分子篩積炭及金屬(氧化物)活性相燒結和重構。除此之外，雙功能組分間的相互作用導致的元素遷移也可能導致催化劑活性改變，甚至失活。

雙功能氧化物-沸石催化劑對CO2加氫的催化行為受兩種功能組分相互作用影響，其程度取決于氧化物類型。在苛刻反應條件下，氧化物組分或其還原物種可能遷移到沸石表面，甚至遷移到微孔通道中。該研究團隊使用的氧化物功能組分是一元氧化物，而常用的二元或三元氧化物在分子篩上的遷移可能具有不同的行為。元素遷移的后果，尤其是Br?nsted酸位的中和，往往是不可逆的。因此，可通過更換容易遷移的元素、功能位點間的空間分離或復合的方法固定活性元素來穩(wěn)定雙功能催化劑性能。

該研究揭示了雙功能催化劑中被忽視的元素遷移及其對CO/CO2加氫催化性能影響，有助于理解C1化學的雙功能氧化物沸石催化劑機理，并為具有最佳組成和空間結構的雙功能催化劑的設計提供新思路。