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    我國科學家在沸石分子篩催化反應機理研究方面取得重要進展

    日期 2019-05-23   來源:化學科學部   作者:戴亞飛 高飛雪  【 】   【打印】   【關閉

      在國家自然科學基金項目(批準號:21622311,21733013)資助下,中國科學院武漢物理與數學研究所徐君研究員與鄧風研究員團隊在沸石分子篩催化劑上乙醇脫水制乙烯反應機理的研究中取得重要進展。研究成果以“Observation of an Oxonium Ion Intermediate in Ethanol Dehydration to Ethene on Zeolite”(分子篩上乙醇脫水制乙烯反應中氧鎓離子中間體的觀測)為題,于2019年4月29日在線發表在Nature Communications (《自然·通訊》)上。論文鏈接:https://www.nature.com/articles/s41467-019-09956-7。

      乙烯是最重要的基礎化工原料之一,也是現代化學工業的基石。目前乙烯主要來源于石油裂解工藝,由于化石資源的日漸枯竭,給依賴于傳統石油路線的乙烯生產帶來巨大壓力。生物乙醇作為一種可再生資源可以通過催化反應轉化為乙烯和其它高附加值碳氫化合物,從而能成為代替石油生產烯烴的一條重要途徑。沸石分子篩是催化乙醇脫水生產乙烯最具有發展潛力的催化劑,因而吸引了大量關于分子篩上乙醇脫水制乙烯反應的研究,然而到目前為止人們對其反應機制仍然沒有明確的認識。課題組研究人員對ZSM-5分子篩上乙醇脫水反應機制進行了深入研究,利用原位13C固體NMR技術,在乙醇脫水反應過程中觀測到三乙基氧鎓離子(TEO)中間體物種的生成,并通過二維 13C-13C 相關譜固體NMR實驗對其結構進行了鑒定(圖1左)。進而,通過變溫原位13C固體NMR實驗跟蹤了TEO在乙醇脫水反應中的演化過程,獲得其穩定性與反應活性的信息(圖1右)。進一步的實驗證實,TEO與催化劑表面乙氧基的生成密切相關,并最終可導致乙烯的生成。結合NMR實驗與理論計算,研究人員提出了ZSM-5分子篩上乙醇脫水生成乙烯的完整催化反應路徑(圖2)。該研究工作加深了人們對分子篩催化乙醇轉化反應機理的理解,也為進一步探索醇轉化中的氧鎓離子化學提供了新的思路。

    圖1 H-ZSM-5分子篩上乙醇反應后的二維13C–13C INADEQUATE NMR圖譜(左)與 乙醇變溫反應的原位13C MAS NMR 圖譜(右)

    圖2 乙醇脫水生成乙烯的催化反應機制




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