近期，安徽工業大學曾杰教授團隊與日本富山大學椿范立團隊合作，研制出新型“金屬氧化物-分子篩”復合催化劑，基于多步串聯催化過程，成功實現以二氧化碳和氫氣為原料直接合成對二甲苯，并創下單程時空收率的世界紀錄。北京時間6月10日，國際學術期刊《美國化學會志》發表了這項成果。
對二甲苯是生產聚酯纖維等化工產品的關鍵原料。當前，工業合成對二甲苯的普遍方法是基于重油的催化重整反應，每生產1噸對二甲苯約消耗4噸石油，同時排放出約3噸二氧化碳。
利用可再生能源電解水制氫，再與二氧化碳反應直接制備對二甲苯，有望在實現溫室氣體二氧化碳的資源化利用的同時，為傳統高能耗、高排放的生產工藝提供替代方案。
據了解，研究團隊研發的復合催化劑主要由兩個模塊組成。其中，金屬氧化物模塊負責催化二氧化碳加氫得到短鏈烯烴，分子篩模塊則負責催化短鏈烯烴的聚合、環化和芳構化過程，最終產生對二甲苯。為提升對二甲苯的選擇性，研究團隊對分子篩模塊進行了“膠囊化”的精細設計。其內部的空心結構能有效促進中間體的傳質過程。同時，分子篩孔徑與對二甲苯分子大小相匹配，可以特異性促進對二甲苯產物由內到外的擴散過程。
此外，研究團隊還對“膠囊”的外表面進行了鈍化處理，避免產出的對二甲苯進一步發生異構化和烷基化等副反應。基于這一獨特設計，研究團隊將對二甲苯的單程時空收率提升至一個新高度，使用1000克復合催化劑持續工作一天即可獲得1000.8克對二甲苯，遠超現有科技文獻記載的性能水平。
研究人員表示，他們提出的復合催化劑設計思路還有望拓展到其他二氧化碳加氫反應體系中，進而實現對高附加值產物碳鏈長度、分子尺寸的“量身定制”。
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