中国科学院大连化学物理研究所的CO2与烷烃耦合制芳烃研究获进展

近日,中国科学院大连化学物理研究所的研究团队采用酸性分子筛作为催化剂,将CO2与轻质烷烃发生催化耦合反应,促进芳烃的生成,产物中芳烃选择性高达80%。在特定条件下,约75%的CO2转化为CO,约25%的CO2碳原子直接进入芳烃产物。相关研究成果发表于《催化学报》。

目前芳烃主要通过石脑油催化重整等石化路线生产,存在原料和目标产品间碳氢不平衡的问题。引入CO2与富氢的烷烃耦合调控其反应的碳氢平衡,提高目标产物选择性,将CO2转化为有用的化工原料或产品,以实现CO2资源化利用,对传统芳烃生产具有重大意义。

该研究团队以HZSM-5分子筛为催化剂,对比正丁烷、正戊烷和正己烷在氦气和CO2气氛中的转化反应,并研究分子筛酸性、反应温度、压力、CO2加入量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生成,同时抑制甲烷和乙烷等小分子烷烃生成。

该研究团队对反应后的催化剂进行分析,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,并通过同位素标记试验和一系列验证试验证实这些含氧中间体由CO2与烃类耦合转化生成,耦合反应发生的途径为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。并进一步采用密度泛函理论计算耦合反应机理各步骤的能垒,验证耦合反应机理的可行性。

该研究证实CO2与烷烃耦合反应不仅可以将其转化为CO,更重要的是部分CO2的碳原子可以直接进入芳烃产物,促进芳烃的生成并提高产物中芳烃选择性,为CO2大规模资源化利用提供一条有效途径。