你相信煤能变成“水”吗?近日,中国科学家在这一领域取得了新的突破。不过,这里说的“水”不是真正意义上的水,而是一类液体物质 —— 烯烃。对于烯烃,除了在高中化学课本上见到过,很多人可能都比较陌生。其实,我们日常生活中常见的各种塑料制品,比如鞋子、衣物、手机、饮料瓶,都是以烯烃为原料制成的。
烯烃是一类重要的化工原料,前面提到的生活中常见的塑料制品的制造都需要烯烃。目前,在化工领域,广泛采用的烯烃制取方法是通过石油制取烯烃。而中国是个石油储量相对较少的国家,如果想满足生产的需要,需要进口更多的石油,影响到中国的能源安全。
因此,一些科学家想到了通过煤炭制取烯烃的新方向。相比于石油,中国的煤炭资源比较丰富,目前煤炭主要用作能源物质。
随着近年低碳环保理念深入人心、国家计划实现“双碳”双碳战略,绿色环保地利用煤炭资源成了科学研究的新方向。从环保的角度来说,通过煤炭制取烯烃,正是煤炭绿色利用的新方式。
把煤炭、石油、天然气等中含有的碳氢化合物与氧化剂反应,可以生成一氧化碳和和氢气的混合物,被称为合成气。合成气再经过一系列的化学反应,就会转化为烯烃等重要化工原料。而在现实的化工生产中,通过煤炭制取烯烃的关键是催化剂。
2016 年,中国科学院大连化物所的研究团队改变了传统催化剂中的活性组分,由金属或金属碳化物变为金属氧化物和分子筛的复合催化剂 ——OXZEO。结果,在制取烯烃的过程中,烯烃的选择率(代表了反应产物的单一性)达到了 80%。
不过,OXZEO 催化剂也不是完美无缺 —— 在 OXZEO 催化的反应中,反应物一氧化碳的转化率只有 17%。这意味着,一氧化碳的反应活性不高,想要制取足够的烯烃,需要大量一氧化氮,会提升成本。
为此,中科院大连物化所的科学家又开展了进一步的研究。他们发现,初代 OXZEO 催化剂提升了烯烃的选择率,却没有提升一氧化碳的转化率是因为,催化剂不仅催化了生成烯烃的主反应,还催化了两个副反应。这样一旦一氧化碳的转化率提高了,就会有更多的其他产物通过副反应生成,进而降低烯烃的选择率。因此,在保证烯烃的选择率的前提下,只能选择降低一氧化碳的转化率。
针对初代 OXZEO 催化剂的这一问题,研究团队在原有分子筛的基础上,制备了基于金属锗离子的微孔分子筛,减少了副反应的发生,在保证烯烃的选择性大于 80%(最高达到了 83%)的同时,一氧化碳的转化率也达到了惊人的 85%,提升了反应效率。
这项研究发表在 2023 年 5 月 19 日的《科学》(Science)杂志上,这一突破性进展彻底颠覆了百余年来煤化工业固有的生产方式,成功解决了传统催化反应中难以同时提高活性与选择性的“跷跷板”难题,而且大幅度降低了水和能量的消耗。
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