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實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)離不開二氧化碳的減排，而二氧化碳的規(guī)?；吒郊又道檬菢O具挑戰(zhàn)性的重要戰(zhàn)略方向。4月3日，記者從中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所了解到，該所劉中民院士團(tuán)隊提出了二氧化碳與烷烴耦合制備芳烴大宗化學(xué)品的新途徑。
研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)使用酸性分子篩作為催化劑，可催化二氧化碳與輕質(zhì)烷烴發(fā)生耦合反應(yīng)，同時促進(jìn)芳烴的生成，產(chǎn)物中芳烴選擇性高達(dá)80%。在特定條件下，約3/4的二氧化碳轉(zhuǎn)化為可用作化工原料的一氧化碳產(chǎn)物，進(jìn)一步研究證實約1/4已轉(zhuǎn)化的二氧化碳的碳原子直接進(jìn)入了芳烴產(chǎn)物。
據(jù)介紹，將二氧化碳作為原料高效轉(zhuǎn)化為大宗化學(xué)品一直是巨大挑戰(zhàn)。芳烴是有機(jī)化工中重要的基礎(chǔ)原料，目前主要通過石腦油催化重整等石化路線進(jìn)行生產(chǎn)，存在原料和目標(biāo)產(chǎn)品之間碳?xì)洳黄胶獾膯栴}。引入二氧化碳與富氫的烷烴耦合調(diào)控其反應(yīng)的碳?xì)淦胶猓岣吣繕?biāo)產(chǎn)物選擇性，同時將二氧化碳轉(zhuǎn)化為有用的化工原料或產(chǎn)品，以實現(xiàn)二氧化碳資源化利用，對傳統(tǒng)芳烴生產(chǎn)技術(shù)具有變革性意義。
研究團(tuán)隊以HZSM-5分子篩為催化劑，對比研究了正丁烷、正戊烷和正己烷在氦氣和二氧化碳?xì)夥罩械霓D(zhuǎn)化反應(yīng)，并詳細(xì)研究了分子篩酸性、反應(yīng)溫度、壓力、二氧化碳加入量等條件對耦合反應(yīng)的影響。結(jié)果表明，二氧化碳的引入可大幅促進(jìn)芳烴的生成，同時甲烷和乙烷等小分子烷烴的生成受到抑制。
對反應(yīng)后的催化劑進(jìn)行分析，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)了大量甲基取代的內(nèi)酯和甲基取代的環(huán)烯酮等含氧物種。通過同位素標(biāo)記實驗和一系列驗證實驗，他們證實這些含氧中間體由二氧化碳與烴類耦合轉(zhuǎn)化生成，提出并證明了耦合反應(yīng)發(fā)生的途徑，即二氧化碳與碳正離子反應(yīng)得到環(huán)內(nèi)酯，環(huán)內(nèi)酯進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為甲基環(huán)烯酮，甲基環(huán)烯酮轉(zhuǎn)化為芳烴產(chǎn)物。研究團(tuán)隊進(jìn)一步采用密度泛函理論計算了耦合反應(yīng)機(jī)理各步驟的能壘，驗證了耦合反應(yīng)機(jī)理的可行性。
“這項成果最大的亮點是證實了二氧化碳與烷烴耦合反應(yīng)不僅可以將其轉(zhuǎn)化為一氧化碳，更重要的是部分二氧化碳的碳原子可以直接進(jìn)入芳烴產(chǎn)物，促進(jìn)芳烴的生成并提高產(chǎn)物中芳烴的選擇性，為二氧化碳大規(guī)模資源化利用提供了一條有效的途徑，具有廣闊的應(yīng)用前景。”劉中民表示，將二氧化碳作為碳資源進(jìn)行高附加值利用，對實現(xiàn)“雙碳”目標(biāo)的技術(shù)路徑設(shè)計具有重大意義。
