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我所提出分析合成氣選擇性制備乙醇的反應路徑和產物選擇性新方法

  近日,我所催化基礎國家重點實驗室理論催化創新特區研究組(05T8組)肖建平研究員團隊與浙江大學肖豐收教授和王亮研究員團隊合作,在合成氣一步法制備乙醇的研究中取得新進展,開發了一套新的理論方法來理解合成氣選擇性制備乙醇的反應路徑和分析產物選擇性。

  乙醇是重要的化學品和燃料。通過合成氣高效并高選擇性地直接制備乙醇是目前能源研究領域的熱點。催化劑反應性過強或過弱都會造成副產物選擇性過高,因此合成氣直接制備乙醇也是難點。深入理解合成氣轉化的反應機理,對后續提升催化劑的活性和尋找非貴金屬催化劑具有重要意義。合成氣轉化過程中有數十種中間體及過渡態,數千種反應路徑,而傳統的理論方法不能很好地理解這一過程。基于此,肖建平團隊開發了一套反應路徑研究和產物選擇性分析的新方法,可以將數十種中間體以及過渡態的吸附能簡化到兩個維度——CO和OH的吸附能,并以此來描述不同催化劑對產物的選擇性(如下圖的二維反應相圖),進而理解和指導催化劑的設計。此方法還能綜合熱力學和動力學影響自動搜尋生成乙醇的最優反應路徑。

  

  在合成氣轉化過程中,如果CO分子和催化劑(如純Rh、Co催化劑等)結合太強,碳-氧鍵基本全部打斷,進而選擇性得到甲烷;如果CO和催化劑(如Cu催化劑)結合太弱,碳-氧鍵完全不能被打斷,所以只能得到甲醇。CO和催化劑之間的結合能力只有在非常小的一個能量窗口時,CO解離之后的中間體(CHx*)和未解離的CO*/CHO*共存,才能有較好的乙醇選擇性。理論計算結果表明,CH2*和CO/CHO*中間體的耦合是最關鍵的步驟,MnOx結構和分子篩提供的限域環境影響了界面處(MnOx附近)的Rh原子的電子結構,使[email protected]催化劑恰巧落在這個區間,最終使CH2*和CO*/CHO*中間物質能大量共存,從而得到較高的乙醇選擇性。該工作為設計高選擇性合成氣制備乙醇的催化劑提供了新思路。

  相關成果發表在Chem上。該工作得到了國家重大研發計劃、國家自然科學基金、中科院重點部署項目和遼寧省“興遼英才計劃”等研究經費的支持。(文/圖 秦剛強)

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