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近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室理論催化創(chuàng)新特區(qū)研究組研究員肖建平團(tuán)隊(duì)與浙江大學(xué)教授肖豐收和研究員王亮團(tuán)隊(duì)合作，在合成氣一步法制備乙醇的研究中取得新進(jìn)展。
乙醇是重要的化學(xué)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(lǐng)域的熱點(diǎn)。催化劑反應(yīng)性過強(qiáng)或過弱都會(huì)造成副產(chǎn)物選擇性過高，因此合成氣直接制備乙醇也是難點(diǎn)。深入理解合成氣轉(zhuǎn)化的反應(yīng)機(jī)理，對(duì)后續(xù)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(zhuǎn)化過程中有數(shù)十種中間體及過渡態(tài)，數(shù)千種反應(yīng)路徑，而傳統(tǒng)的理論方法不能很好地理解這一過程。基于此，肖建平團(tuán)隊(duì)開發(fā)了一套反應(yīng)路徑研究和產(chǎn)物選擇性分析的新方法，可以將數(shù)十種中間體以及過渡態(tài)的吸附能簡(jiǎn)化到兩個(gè)維度——CO和OH的吸附能，并以此來描述不同催化劑對(duì)產(chǎn)物的選擇性（如上圖的二維反應(yīng)相圖），進(jìn)而理解和指導(dǎo)催化劑的設(shè)計(jì)。此方法還能綜合熱力學(xué)和動(dòng)力學(xué)影響自動(dòng)搜尋生成乙醇的最優(yōu)反應(yīng)路徑。
在合成氣轉(zhuǎn)化過程中，如果CO分子和催化劑（如純Rh、Co催化劑等）結(jié)合太強(qiáng)，碳-氧鍵基本全部打斷，進(jìn)而選擇性得到甲烷；如果CO和催化劑（如Cu催化劑）結(jié)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(jié)合能力只有在非常小的一個(gè)能量窗口時(shí)，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(jì)算結(jié)果表明，CH2*和CO/CHO*中間體的耦合是最關(guān)鍵的步驟，MnOx結(jié)構(gòu)和分子篩提供的限域環(huán)境影響了界面處(MnOx附近)的Rh原子的電子結(jié)構(gòu)，使RhMn@S-1催化劑恰巧落在這個(gè)區(qū)間，最終使CH2*和CO*/CHO*中間物質(zhì)能大量共存，從而得到較高的乙醇選擇性。該工作為設(shè)計(jì)高選擇性合成氣制備乙醇的催化劑提供了新思路。
相關(guān)成果發(fā)表在Chem上。該工作得到國家重大研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金、中科院重點(diǎn)部署項(xiàng)目和遼寧省“興遼英才計(jì)劃”等的支持。 |
