合成气直接制芳烃含氧中间体路线研究进展

马 东，孙来芝，王治斌，陈 雷，杨双霞，许美荣，谢新苹， 司洪宇，赵保峰，高明杰，李天津，华栋梁

(齐鲁工业大学(山东省科学院)能源研究所，山东省生物质气化技术重点实验室，山东 济南 250014)

芳烃是重要的化工基本原料，广泛应用于塑料、尼龙、香料等化学品合成过程[1]，目前主要经由石油的重整和裂解制备。而通过煤炭、天然气、废气等得到的合成气，经催化作用可高选择性得到芳烃产物，是一条新型的非石油芳烃制备路线，具体过程如图1所示。其中，合成气直接制芳烃，即指合成气经由双功能催化剂直接转化制芳烃[2]。该工艺流程短，可有效降低整体工艺过程的能耗及成本，提升芳烃产品的市场竞争力。

合成气直接制芳烃分为费-托(Fischer-Tropsch)路线和含氧中间体路线。费-托路线即通过费-托工艺将合成气转化为低碳烯烃[3-4]，然后由酸性分子筛将烯烃转化为芳烃。含氧中间体路线即合成气在Cr、Zr等金属氧化物催化剂上转化为甲醇、二甲醚等含氧中间体，然后在沸石分子筛等固体酸催化剂上进行C-C偶联转化为烯烃，并通过齐聚、环化、异构等转化为芳烃[5]。含氧中间体路线表现出高的芳烃选择性(60%～80%)和极低的甲烷选择性(<3%)，而且通过控制反应条件、调变催化剂等可实现芳烃产物多元化，生产高工业价值的以苯、甲苯、二甲苯混合物(BTX)为代表的轻质芳烃和四甲基苯(TeMB)[6]。

笔者重点论述了合成气经含氧中间体制芳烃双功能催化剂中金属活性组分及其配比、分子筛结构和酸性、耦合方式等因素对反应过程的影响，并概述CO解离、反应中间体、催化剂失活等反应机理。

1 催化剂

1.1 合成气制芳烃含氧中间体催化剂—金属氧化物

目前，用于合成气直接制芳烃含氧中间体路线的活性金属氧化物主要有Zr、Cr、Mn、Mo、Ce、Zn氧化物等[7]，适量的金属氧化物掺杂可以促进氧缺陷的形成，减小晶粒尺寸，促进CO的活化。

1.1.1 Zr基催化剂

Zr基催化剂CO吸附能力强，有较高的芳烃选择性(80%左右)，但其氢气解离能力弱，单独催化合成气转化时CO转化率低(5%左右)，且所需压力高，常添加Ce、Zn、Cu等氢解离助剂提升其催化性能。

掺杂具有储氧能力且易氧化还原的Ce物种，可促进含氧中间体的形成、减少催化剂积炭，并通过控制Ce、Zr两者金属比例可调节催化剂中金属离子的价位，增加CO转化率并降低中间体加氢反应活性，进而提高反应活性。Zhou等[8]制备CeZr掺杂金属氧化物催化剂并应用于合成气制芳烃反应，发现Ce的掺杂对CO转化率影响较小。在温度为400 ℃、压力为3 MPa、氢/碳体积比(V(H2)/V(CO))为2条件下，ZrO2/HZSM-5催化剂作用下CO转化率为1.3%，芳烃选择性为83%；CeZrO2/HZSM-5催化剂作用下CO转化率为1.2%，芳烃选择性为75%。Huang等[9]制备了Ce0.2Zr0.8O2/HZSM-5(40)催化剂并应用于合成气直接制芳烃反应，在温度450 ℃、压力2 MPa、V(H2)/V(CO)=1条件下，CO转化率为22.4%，芳烃选择性为56.3%，BTX组分占芳烃产物的54.4%。

Zr基催化剂还常与多种金属组分复合组成催化剂。罗耀亚等[10]制备了ZnCe2-yZryO4/SAPO-34催化剂并应用于合成气转化，在温度为300 ℃、压力为1 MPa条件下，凝胶法得到的球形堆积结构催化剂催化性能最好，CO转化率为6.4%，CO2选择性为10.7%，低碳烯烃选择性为79.5%。Xiao等[11]制备了CuZnAl-ZrO2/Nb-ZSM-5催化剂并应用于合成气制芳烃反应，在温度为360 ℃、压力为4 MPa、V(H2)/V(CO)=2、体积空速为1800 mL/(g·h)条件下，随着Zr含量的增加，Cu物种的分散度增加，CO转化率和芳烃选择性增加，当在掺杂金属氧化物中Zr摩尔分数为75%时，CO转化率最高为88.4%，芳烃选择性为39.8%。

1.1.2 Cr基催化剂

氧化铬作为还原性金属有较强的CO吸附能力和较弱的H2活化能力，CO可在其表面直接解离，通常掺杂Zn组成ZnCr2O4尖晶石氧化物催化剂。在非化学计量比的ZnCr2O4尖晶石相上易形成氧空位，利于H和CO吸附以及H2的异解分离，能有效促进CO加氢转化为甲醇，因此认为非化学尖晶石相为活性相[12]。Santos等[13]制备了不同Cr/Zn比的ZnCr2O4/SAPO-34催化剂，在温度为400 ℃条件下进行CO加氢转化，当Cr/Zn摩尔比为0.4时，CO转化率高达36%，低碳烯烃选择性为24%；当Cr/Zn摩尔比为2时，CO转化率为15%，低碳烯烃选择性为31%。Fu等[14]通过浸渍法将质量分数3%的Fe用于改性Zn-Cr尖晶石催化剂，在温度为380 ℃、压力为3 MPa、体积空速为2000 mL/(g·h)条件下，CO转化率为35.2%，芳烃选择性为73.4%。

1.1.3 Mn基催化剂

氧化锰能活化CO并促进甲醇和烯烃的生成，因自身C-C偶联能力较弱，无沸石时催化合成气主要生成甲烷，与HZSM-5分子筛耦合时则能促进芳烃类化合物的生成[15]。Zhu等[16]制备MnO、Mn2O3、MnO23种不同晶相催化剂并应用于合成气转化，研究发现，3种不同晶相催化剂的催化性能相似，CO转化率在7.3%～8.5%之间，低碳烯烃选择性在78.2%～79.2%之间，反应后均变成立方MnO晶相(C-MnO)，因此得出该晶相为反应活性相。Li等[17]制备的Zn2MnOx/SAPO-11催化剂，在温度为360 ℃、压力为4 MPa条件下，CO转化率为20.3%，汽油选择性高达76.7%，甲烷选择性仅为2.3%。

1.2 含氧中间体制芳烃催化剂—HZSM-5分子筛

MFI拓扑结构的HZSM-5分子筛的微孔直径与BTX等轻质芳烃组分的动力学直径相近，能够有效增加芳烃选择性。此外，分子筛表面Brösted(B)酸酸位是芳构化反应的关键点，其中位于通道交叉处的B酸位中心比位于正弦或直通道处的更利于芳香基环化，因此常作为合成气直接法制芳烃的固体酸催化剂。

1.2.1 分子筛酸性

分子筛的酸性会影响反应过程中碳氢化合物的加氢裂解、环化、脱氢、芳构化等反应，而分子筛的酸性与Si/Al摩尔比直接相关，其比值越大酸性越弱，比表面积越大，CO转化率随酸性的增强而增加。增加B酸位密度可促进以轻芳烃为主的反应，但过强的酸性会提高加氢反应活性，增加烷烃选择性，促进焦炭的形成，加速催化剂积炭进而缩短催化剂寿命[18]。

金属氧化物耦合不同Si/Al摩尔比分子筛双功能催化剂，其催化性能随分子筛Si/Al摩尔比的增加呈先升高后降低的趋势。Liu等[19]制备的Cr2O3/HZSM-5催化剂在温度为395 ℃、压力为4 MPa、V(H2)/V(CO)=1、体积空速为2000 mL/(g·h)条件下，分子筛Si/Al摩尔比为50时催化性能最佳，CO转化率为17.9%，芳烃选择性为80.8%，BTX组分占芳烃产物的43.2%。Huang等[9]制备的Ce0.2Zr0.8/HZSM-5催化剂在温度为380 ℃、压力为2 MPa、V(H2)/V(CO)=1条件下，CO转化率为8.1%，芳烃选择性为83.1%；分子筛n(Si)/n(Al)=150时，产物分布基本一致，但催化剂寿命和稳定性大幅增加。

分子筛的酸分布对催化性能也有较大的影响，可通过引入非金属元素(Si、P、B)、金属元素(K、Ga、Zn)、表面酸处理和水热改性等，调节分子筛表面的酸性和结构，从而提高分子筛的择形能力，并减少催化剂积炭，提高催化剂寿命[20-22]。

碱金属、过渡金属、稀土金属等常用于HZSM-5分子筛改性。碱金属可将分子筛中B酸位转变为Lewis(L)酸酸位，增加分子筛表面碱度。其中，K元素改性可抑制烯烃加氢转化为烷烃，增加高碳化合物的选择性，但会降低CO转化率[12]。过渡金属和稀土元素有着独特的电子排布，其中过渡元素通过空电子d轨道能够与分子筛形成配合物，稀土元素则可通过增强Al-O相互作用来提高水热稳定性并增加强酸位点[18]。其中，Zn改性分子筛可促进H2解离，加快反应中间体的生成。Zn2+离子能与B酸位形成Zn(OH)+物种，从而促进烷基化反应并抑制如MTO等副反应；或与B酸位结合成Zn-L酸位来减少强酸位，抑制C6+的过度加氢从而提高芳烃产物选择性。镓(Ga)离子改性分子筛，因Ga元素具有较好的脱氢能力且与B酸位起协同作用，使得其改性的分子筛B酸位上主要以脱氢路线为主导过程，增加芳烃产物选择性[23]。

表面酸处理指在分子筛表面包裹SiO2外壳或采用SiO2沉淀法来遮盖表面酸性点，从而减少副反应的发生。Wang等[24]对Cr2O3/HZSM-5@SiO2催化剂研究发现，当催化剂外表面SiO2沉积量为39%时，抑制BTX的异构化和烷基化效果最佳，BTX选择性高达44.6%，但CO转化率下降为18.7%。Wei等[18]在自制的NaFe/HZSM-5催化剂上，通过SiO2沉淀法将分子筛表面B酸位中心(BAS)浓度从2.1 μmol/g降低到1.2 μmol/g时，产物中对二甲苯(PX)选择性明显增加，由22%增加到58%，当BAS浓度进一步降低到0.7 μmol/g时，PX选择性高达72%。

1.2.2 分子筛结构

介孔孔道或多级孔道的沸石分子筛具有传统沸石分子筛和介孔材料的优势，可强化反应物的扩散能力，能够提高CO转化率并明显抑制CH4和低碳烷烃的生成，增加芳烃类物质的选择性。

Cui等[25]制备的HZSM-5聚集体(S-HZSM-5)可在合成过程中形成层状介孔结构，与ZnFeOx组成双功能催化剂，在温度为320 ℃、压力为3 MPa条件下，芳烃选择性为75.6%。酸碱处理为常用的后处理方式，在酸处理中柠檬酸对制备介孔效果最佳，但酸处理会使得分子筛骨架铝脱落，降低酸强度、损坏分子筛结构从而增加积炭；碱处理通常使用NaOH溶液，选择性脱除分子筛骨架Si物种，从而形成介孔，该方式对分子筛的微孔结构和酸强度仅有轻微的影响。Zhao等[26]发现，碱处理后用NH4NO3溶液交换可一定程度恢复分子筛酸性，经3次交换后HZSM-5恢复酸性。其制备的FeZnNa催化剂与HZSM-5a(只与硝酸铵溶液交换1次)耦合时，相比耦合交换3次后的HZSM-5，CO转化率皆为87%左右，但芳烃选择性高达50.6%。

除常见的介孔改性分子筛结构制备方法外，Arslan等[27]通过水热合成法制备沿b轴具有短且直的通道[010]的HZSM-5分子筛，在温度为350 ℃、压力为2 MPa、V(H2)/V(CO)=1条件下，ZnCr2O4/HZSM-5催化剂的芳烃选择性为83.3%。

1.3 金属氧化物耦合分子筛双功能催化剂

双功能催化剂即指具有2个活性位点的催化剂，对多级反应进行耦合和催化，在合成气直接制芳烃中，双功能催化剂不仅是耦合具有合成气转化和芳构化能力的复合催化剂，而且要具有碳链增长和加氢能力较弱的性能，其水煤气变换活性低，中间产物在分子筛中能快速扩散脱附进行芳构化反应，避免过度加氢、产生重质芳烃以及积炭。双功能催化剂之间不同的耦合方式主要影响催化剂之间的接近度。目前文献报道的耦合方式主要有厘米尺度的双床层模式、微米级颗粒混合或堆积、纳米级细粉混合，以及将金属氧化物催化剂包裹在以分子筛为外壳的空腔中形成核壳结构催化剂等方式。金属氧化物催化剂与HZSM-5分子筛常用的3种物理混合法如图2所示。

图2 金属氧化物催化剂与HZSM-5分子筛 常用的3种物理混合法Fig.2 Three physical mixing methods commonly used for metal oxide catalysts and HZSM-5 molecular sieves(a)Double bed mode mixing；(b)Particle mixing；(c)Powder mixing

1.3.1 物理混合催化剂

铈-锆(Ce-Zr)、锌-铬(Zn-Cr)等掺杂金属氧化物与分子筛采用粉末混合方式时，催化合成气制芳烃反应性能最佳，而双床层混合方式反应性能最差[9，28-29]。Huang等[9]制备的Ce0.2Zr0.8O2/HZSM-5催化剂粉末混合时芳烃选择性为75%；颗粒混合时芳烃选择性为25.7%；双床层混合时芳烃选择性仅为6.2%。Chen等[28]自制的ZnCrAlOx/HZSM-5催化剂在温度为360 ℃、压力为4 MPa条件下，粉末混合时CO转化率为32.1%，芳烃选择性为72.9%；颗粒混合时芳烃选择性降低为39.2%；双床层模式混合时芳烃选择性降低到28.9%。周铖[29]通过H2-D2交换表征结果发现，双功能催化剂之间接触越紧密，其H-D交换信号越强。经研磨后混合，活性组分之间接触更加紧密和均匀，利于H的脱附，加快中间体的生成和扩散，从而提高芳烃选择性。

1.3.2 核壳结构催化剂

核壳结构催化剂因双功能催化剂的2种活性中心之间存在空间限制，使得反应能够按设定顺序进行(首先在金属氧化物表面进行CO活化生成中间产物，然后在酸中心进行二次反应进一步芳构化)，还可抑制水煤气变换反应，从而提高催化反应性能[30]。Yang等[31]研究核壳结构催化剂制备过程中发现，核内催化剂颗粒越小，晶化时间越长，其分子筛壳层越厚；且实验表明，异构烃和甲烷选择性均随壳层厚度的增加而增加。Xu等[32]使用三甲基氯硅烷(TMCS)对核壳结构催化剂改性使其具有疏水性，进而能保护还原相不被反应生成的水氧化，从而抑制水煤气变换等副反应，促进C-C偶联反应，降低CO2和甲烷的选择性，在CO转化率为56.1%时，CO2和CH4的总选择性降低到22.5%以下，烯烃选择性为36.6%。

1.3.3 挤压重结晶催化剂

金属氧化物催化剂与分子筛通过挤压重结晶法耦合，可使金属氧化物催化剂团簇组分在分子筛晶面上表现出高度均匀和定向性，从而使得反应中间体优先沿相邻的正弦通道扩散到分子筛，然后在内部酸位点上转化为芳烃产物，最后从直通道中扩散出来。Liu等[33]采用挤压重结晶法制备Cr2O3/ZSM-5双功能催化剂，在温度为395 ℃、压力为7 MPa、体积空速为1000 mL/(g·h)条件下，CO转化率为49.4%，芳烃选择性为66.5%，催化剂与分子筛的挤压重结晶混合过程如图3所示。此外，文献报道[33]，在催化剂下方再次填充沸石分子筛，可使得烯烃、重质芳烃等二次转化为轻质芳烃。Miao等[34]采用四次表面酸处理改性制备MnCr/ZSM-5-Si4催化剂，研究发现，在温度为430 ℃、压力为4 MPa、V(H2)/V(CO)=1条件下，CO转化率为13.3%，芳烃选择性为68%，BTX组分占芳烃产物的比例为63.1%；再次添加β沸石和Y型沸石后，BTX组分占芳烃产物的比例大幅增高，分别为80%和88%。

图3 催化剂与分子筛的挤压重结晶混合法[33]Fig.3 Mixing method of catalyst and molecular sieve by extrusion recrystallization[33]

目前关于合成气直接制芳烃含氧中间体路线催化剂的研究主要集中在：一是通过多金属掺杂组成复合金属氧化物催化剂，以提高H2、CO的解离吸附能力；二是对分子筛进行改性，增强反应中的传质作用、芳构化活性；三是改变金属氧化物催化剂与分子筛的耦合方式，以调整催化剂之间的接近度、改善催化反应路径，从而提高催化剂整体的催化性能。目前文献报道的合成气经含氧中间体路线直接制芳烃的常用催化剂、反应条件、催化性能等如表1所示。

2 合成气直接制芳烃含氧中间体路线反应机理

目前文献所报道的合成气直接制芳烃含氧中间体路线反应机理为：CO首先在金属氧化物上活化、加氢为甲氧基等中间体，然后转移到沸石分子筛，通过C-C偶联生成低碳烯烃，随后在分子筛孔道中聚合、环化、脱氢转化为芳烃，具体反应过程如图4所示。

表1 合成气经含氧中间体路线直接制芳烃的常用催化剂、反应条件和催化性能Table 1 Common catalysts，reaction conditions and catalytic performance of direct synthesis of aromatics from syngas via oxygen-containing intermediates

图4 合成气直接制芳烃含氧中间体路线反应机理[27]Fig.4 Reaction mechanism for the direct synthesis of aromatics from syngas via oxygen-containing intermediates[27]

2.1 CO和H2的解离吸附

在含氧中间体路线中，一般认为，CO在金属氧化物氧空位上吸附活化，然后与H*物质结合生成甲醛(*HCO和*H2CO)和甲酸盐(*HCOO)物种，在沸石分子筛和金属氧化物2种催化组分同时存在的情况下，CO解离吸附生成的甲醛或甲酸盐单体不会进行后续加氢反应，而是直接扩散到酸性沸石通道中加氢转化为甲醇等含氧中间体，然后经C-C偶联转化为低碳烯烃，反应过程如图5所示[24，35]。Wang等[36]将制备的ZnZrO和ZnZrO/HZSM-5催化剂在合成气气氛中进行HCOO*、CH3O*吸附实验，发现与ZnZrO催化剂相比，ZnZrO/HZSM-5催化剂上吸附的HCOO*、CH3O*物种较少，说明在ZnZrO催化剂上产生的上述活性表面物种被转移到了沸石通道中。Pan等[37]研究发现，在ZnCrOx催化剂上，通入CO还原使得催化剂表面氧空位增加，表面碳物种形成；清除催化剂表面碳物种后再次通入CO，发现表面碳物种再次形成。认为CO在可还原金属表面进行直接解离，然后再与H2反应生成CH2单体，最后与CO反应生成烯酮中间体。

CO活化后需要与H2反应生成CH2中间体，而H2首先需要在金属催化剂上进行活化解离。

图5 合成气经吸附活化和C-C偶联转化为低碳烯烃[35]Fig.5 Syngas converted into light olefins by adsorption activation and C-C coupling[35]

Chen等[38]研究发现，CO首先在五面体ZnO上吸附，然后与H2解离吸附生成的羟基结合生成双齿CHO中间体，并与H*发生反应生成CH2O和CH3O，随后CH3O与H*反应生成CH3OH。Zhou等[6]报道，在ZnO-ZrO2催化剂上，H2在-Zn-O表面异解分离生成H-和H+，随后与催化剂表面吸附的CO生成甲酸盐物种，并进行中间体的进一步加氢反应，从而促进烯烃中间物种的生成。

2.2 反应中间体

合成气直接制芳烃含氧中间体路线中，反应中间体随金属氧化物组分的不同而改变，主要包括甲醇、二甲醚、乙酸乙酯等，而且不同的反应中间体其对应的反应机理也不同。

对于Zn-Cr掺杂金属氧化物催化剂，Zhou等[6]研究ZnCrOx催化剂作用下合成气转化过程，观察到乙烯酮(CH2CO)物种可在分子筛上转化为乙烯、丙烯等化合物，认为乙烯酮为反应中间体。Jiao等[39]对烯酮物种在沸石上的转化研究发现，烯酮中间体首先在沸石分子筛中形成吸附的CH3CO物种，然后发生甲基化反应生成烯烃。Chen等[28]研究发现，ZnCrOx/H-ZSM-5催化剂上丙烯转化首先生成羧酸盐，然后可进一步生成甲基-2-环戊烯-1-酮(MCPOS)重要中间体，最后在分子筛上转化为芳烃。

对于Zr基催化剂，普遍认为甲醇/二甲醚为反应中间体[7]，Liu等[40]通过比较不同制备方法制备的ZrO2催化剂，发现热解法和水热法制备的催化剂其比表面积较高，表面酸性较强，因此在金属表面HCO难发生C-O解离，可促进其加氢转化为甲醇。对于Ce-Zr掺杂氧化物催化剂，Huang等[9]发现，Ce0.2Zr0.8O2催化剂单独催化合成气转化时，由于晶格氧原子在催化剂表面的释放，反应产物主要为甲醇和C2+醇类以及C6+烯烃等，并认为上述化合物为反应中间体；分子筛易催化上述中间体发生羰基化反应生成乙酰基，再解离为乙酸甲酯或乙酸等表面甲氧基物种，然后通过C-C偶联生成烯烃；烯烃则主要经烯烃的甲基化和裂解、芳烃的甲基化和脱烷基化、氢转移、脱氢环化等反应组成的双循环机理进一步转化，最后生成芳烃[41-43]。

2.3 催化剂失活机理

目前文献所报道的催化剂失活原因主要有金属离子的迁移、金属催化剂的烧结、分子筛的积炭失活等。

对于金属离子迁移导致的失活，一种是金属离子的迁移中和了沸石分子筛上的B酸位中心，无法对中间产物进一步转化；另一种是金属组分聚集为金属团簇NPs堵塞分子筛孔道。Wang等[44]研究发现，In物种的迁移会完全覆盖分子筛酸性位点，在反应中会还原并聚集为金属团簇堵塞分子筛孔道，使得In2O3/HZSM-5催化剂作用下烃类产物随反应时间延长而急剧减少。Arslan等[27]制备了ZnCr2O4/HZSM-5催化剂并应用于合成气制芳烃反应，发现部分Zn金属组分迁移并与分子筛的Al键合，导致特定位点的失活并减缓分子在孔道内的扩散速率，从而使得催化剂活性降低。采用核壳结构耦合的双功能催化剂，可强化分子筛的限域能力，为纳米颗粒提供物理屏障并阻碍金属离子的迁移，从而防止催化剂烧结[45]。

对于催化剂积炭失活，主要是由于分子筛积炭使得其比表面积和孔体积下降，造成催化剂活性中心数量下降而引起。分子筛的积炭主要来源于多环芳烃的聚合裂解，由于强B酸位点使得轻质芳烃在微孔内或外表面聚合为萘、蒽等重质芳烃，进而在后续反应中转化为更加致密、富碳的石墨焦，从而堵塞分子筛孔隙，造成催化剂失活[18]。Cheng等[46]制备了ZrO2/HZSM-5催化剂并应用于合成气制芳烃反应，在温度为430 ℃、压力为3 MPa条件下，经100 h反应后，ZrO2/HZSM-5催化剂的CO转化率从42%下降到20%，经热重分析发现催化剂质量损失严重，认为催化剂活性下降主要是由于分子筛积炭所导致的。Arslan等[27]对自制的ZnCr2O4/HZSM-5催化剂经24 h和600 h反应后的积炭进行热重分析发现，24 h反应后的催化剂积炭组分主要为不稳定焦炭，600 h反应后的积炭为由稠环芳烃等组成的石墨化炭。

3 结 语

对合成气直接制芳烃含氧中间体路线的金属氧化物催化剂、分子筛、耦合方式、反应机理等研究进展进行了系统的综述，该反应路线可高选择性生成芳烃等目标产物，但仍存在CO单程转化率低、CO2选择性高、催化剂易积炭失活、芳烃选择性低等问题。

基于上述问题的分析，笔者认为，设计制备高活性和稳定性金属氧化物复合分子筛催化剂，探究催化反应机理与反应路径，明晰催化剂反应活性相和反应中间体，并根据不同催化剂匹配反应条件，进而实现合成气经含氧中间体路线制芳烃过程，是合成气直接制芳烃含氧中间体路线亟待解决的关键问题，未来合成气直接制芳烃反应的研究重点应集中于以下方面：

(1)深入了解CO加氢转化的活性中心以及水煤气反应的活性中心，阐明活性中心的结构和组成，是避免生成CO2提高CO转化率的关键，且近期的研究报道中提出预还原可产生更多的氧空位促进CO活化，但仍需探讨氧空位相关的结构和在反应条件下的稳定性。

(2)对于合成气直接制芳烃的产物分布，通常采用硅烷化、金属改性、结构改性等对HZSM-5分子筛进行改性，以此改善反应路径和芳构化反应活性，从而提高BTX芳烃的选择性。采用核壳结构、挤压重结晶、双床层分子筛等耦合方式，优化分子筛和金属氧化物催化剂的制备方法；多金属改性分子筛等方法可有效提高催化剂活性和稳定性，并提高芳烃化合物的选择性。

(3)伴随大数据和信息时代的来临，利用计算机模拟计算来深入研究催化剂的结构、反应机理、热力学和动力学，可获取更多催化剂上反应物转化和产物分布之间的关联性，并对催化剂失活、催化副反应等开展突破性研究。