合成气高选择性转化新催化体系设计及相关物理化学问题研究

The catalytic transformation of synthesis gas (syngas) into liquid fuels and valuable chemicals is a core process in the indirect utilization of non-petroleum carbon resources such as coal, coal-bed gas, shale gas and biomass. A variety of products can be obtained from syngas. How to control the product selectivity is one of the most challenging subjects in the syngas chemistry. This project focuses on the productions of hydrocarbon fuels with specific fractions such as gasoline, diesel and jet fuel, and C2+ oxygenates such as ethanol from syngas. With the goal of selectivity control, the project will attempt to understand deeply the mechanism for the conversion of syngas to specific products on molecular level and to uncover the nature of the catalytic active site for each step and its dynamics during the reaction. The project will put effort to design and construct bifunctional or multifunctional catalytic systems for transformation of syngas with high selectivity from nano to atomic scale. The studies on the elementary steps such as CO activation, chain growth and product formation will be emphasized to gain insights into the key factors determining the product selectivity. With the help of new synthetic techniques for nanomaterials, the project will attempt to construct novel catalytic systems breaking the conventional Anderson-Schulz-Flory distribution, in particular the bifunctional Fischer-Tropsch catalytic systems with synergistic effects based on metal nanoparticles and solid acids. The project will endeavor to develop new methods for tuning the product selectivity in syngas conversions.

合成气催化转化制液体燃料和化学品是煤、页岩气和生物质等各种非油基碳资源间接转化利用的核心过程。合成气转化产物丰富多样，如何调控产物选择性是合成气化学中最具挑战性的课题之一。本项目以合成气转化制汽油、柴油、航空燃油等特定馏分碳氢化合物液体燃料和乙醇等C2+含氧化合物为主攻对象，围绕催化反应选择性的调控这一关键科学问题，从分子层次上认识相关产物生成的微观机理，揭示相关过程的催化活性位本质和动态变化规律，致力于从纳米乃至原子尺度设计和构建合成气高选择性转化的双功能或多功能催化剂体系。项目注重对CO活化、碳链增长和产物生成等基元过程的研究，深入理解相关产物选择性的调变规律，并借鉴纳米材料合成领域的新技术，着力构建打破Anderson-Schulz-Flory分布的新催化体系，特别是具有高效协同作用、基于金属纳米粒子和固体酸的双功能费托合成催化剂体系，努力发展合成气转化产物选择性调控的新方法。

合成气(CO/H2)催化转化为特定的含多个碳原子的产物是碳基能源高效利用的重要科学基础。从合成气制备特定液体燃料或化学品涉及CO分子活化、碳链增长和产物生成等复杂基元过程，产物选择性调控是该领域的重大科学挑战。本项目以合成气催化转化制汽油、柴油、航空燃油等液体燃料和乙醇等C2+含氧化合物为主攻对象，围绕催化反应选择性调控这一关键科学问题，从纳米乃至原子尺度设计和构建合成气高选择性转化的双功能或多功能催化剂体系，发展新方法实现合成气转化产物选择性调控。.项目执行五年来，取得了以下研究成果：(1) 发展金属纳米粒子/介孔酸性沸石分子筛双功能催化剂体系，实现合成气直接高选择性制汽油馏分(C5-C11)。耦合金属纳米粒子上CO加氢生成高碳烃和介孔酸性沸石分子筛上高碳烃的裂解/异构化反应，实现合成气高选择性制异构烷烃为主的汽油馏分，选择性达80%，打破传统ASF分布45%的极限值(45%)；(2) 提出利用氢解反应提高合成气制柴油馏分(C10-C20)选择性的策略，研制金属Co/介孔沸石分子筛多功能催化剂体系，利用金属Co上生成的高碳烃在金属/介孔分子筛上的选择性氢解反应，高选择性制备直链烷烃为主的柴油馏分，柴油选择性达65%，打破传统ASF分布39%的理论极限；(3) 发展合成气直接制航空燃油(C8-C16)的金属/改性介孔沸石分子筛多功能催化剂体系，首次实现合成气高选择性制航空燃油(C8-C16)，选择性达72%，突破了传统选择性分布所决定的理论值41%；(4) 通过理论计算，探究并深入认识合成气转化制乙醇等C2+含氧化合物非Rh系双金属催化剂的作用机制和反应机理；(5) 研制Cu-Fe双金属催化剂，提高合成气制乙醇等C2+含氧化合物选择性，提出双金属的协同效应以及两者近距离接触是促进乙醇等C2+含氧化合物选择性生成的关键；(6) 在国际期刊发表研究论文50篇，获授权中国发明专利7项，培养博士后/研究生共23名。.综上，项目取得了一系列重要研究进展，发展了合成气转化产物选择性调控的新催化剂体系，为C1化学领域提供了新的研究思路。