当今世界，绿色低碳发展是大势所趋，全世界都在向碳中和目标不断努力。实现“双碳”目标离不开二氧化碳（CO2）的减排，而CO2作为碳资源的规模化高附加值利用是极具挑战性的的重要战略方向。近日，中国科学院大连化学物理研究所刘中民院士团队提出了CO2与烷烃耦合制备芳烃大宗化学品的新途径。团队发现使用酸性分子筛作为催化剂，可催化CO2与轻质烷烃发生耦合反应，同时促进了芳烃的生成，产物中芳烃选择性高达80%。在特定条件下，约3/4的CO2转化为可用作化工原料的一氧化碳产物，进一步研究证实约1/4已转化的CO2的碳原子直接进入了芳烃产物。相关成果发表在中国催化专业刊物——《催化学报》上。
大连化物所供图
CO2是最稳定的化学分子，将CO2作为原料高效转化为大宗化学品一直是巨大挑战。芳烃是有机化工中重要的基础原料，可以广泛用于合成树脂、纤维、染料、医药、香料等，目前主要通过石脑油催化重整等石化路线进行生产，存在原料和目标产品之间碳氢不平衡的问题。引入CO2与富氢的烷烃耦合调控其反应的碳氢平衡，提高目标产物选择性，同时将CO2转化为有用的化工原料或产品，以实现CO2资源化利用，对传统芳烃生产技术具有变革性意义。此前很多研究人员尝试采用CO2与烷烃反应，将CO2转化为CO并减少氢气的生成，但均认为CO2的碳原子没有进入烃类产物中。
以HZSM-5分子筛为催化剂，催化CO2与轻质烷烃发生耦合反应生成芳烃示意图
本工作中，团队以HZSM-5分子筛为催化剂，对比研究了正丁烷、正戊烷和正己烷在氦气和CO2气氛中的转化反应，并详细研究了分子筛酸性，反应温度、压力、CO2加入量等条件对耦合反应的影响。结果表明，CO2的引入可大幅促进芳烃的生成，同时甲烷和乙烷等小分子烷烃的生成受到抑制。
对反应后的催化剂进行分析，发现了大量甲基取代的内酯和甲基取代的环烯酮等含氧物种。通过同位素标记实验和一系列验证实验，证实这些含氧中间体由CO2与烃类耦合转化生成，提出并证明了耦合反应发生的途径，即CO2与碳正离子反应得到环内酯，环内酯进一步转化为甲基环烯酮，甲基环烯酮转化为芳烃产物。进一步采用密度泛函理论计算了耦合反应机理各步骤的能垒，验证了耦合反应机理的可行性。
“这项成果最大的亮点是证实了CO2与烷烃耦合反应不仅可以将其转化为一氧化碳，更重要的是部分CO2的碳原子可以直接进入芳烃产物，促进芳烃的生成并提高产物中芳烃的选择性，为CO2大规模资源化利用提供了一条有效的途径，具有广阔的应用前景。”刘中民介绍。
该研究成果发表在我国唯一被SCI收录的催化英文刊——《催化学报》上。将优秀的成果发表在国产期刊上，刘中民院士深有感悟。“将CO2作为碳资源进行高附加值利用，对实现双碳目标的技术路径设计具有重大意义。将我们的最新研究进展发表在国产期刊上，我是经过了慎重的考虑。我国加强科技创新，也需要与科技创新地位相适应的国际期刊。近些年，很多国产期刊对高水平研究工作都开辟了绿色通道，文章接收后会快速发表并推介宣传，在国内外显示度逐步提升。”刘中民告诉《中国科学报》，“以《催化学报》为代表的国产期刊近年来专业性和世界影响力都在快速提升，让中国的最新成果在中国的期刊上发表，这也体现了我们的科技自信在不断增强。同时，一流期刊的发展也离不开一流的科研成果，积极地向国产期刊投稿高水平科研成果，需要大家积极支持，首先是从自己做起，我们和国产期刊是‘双赢’。”（来源：中国科学报 孙丹宁）
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64416-X
