沸石分子篩催化丙烷芳構化反應機制研究取得進展

　　近日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院研究員徐君、鄧風科研團隊， 在沸石分子篩催化丙烷芳構化反應機制研究方面取得重要進展。該團隊利用原位固體核磁共振技術，探索鎵（Ga）修飾ZSM-5分子篩（Ga/ZSM-5）催化丙烷轉化制芳烴過程，發現環戊烯碳正離子中間體，并實驗證實該碳正離子可作為活性“烴池”物種催化丙烷生成輕質芳烴（苯、甲苯、二甲苯）的轉化機制。相關研究成果以Unraveling Hydrocarbon Pool Boosted Propane Aromatization on Gallium/ZSM-5 Zeolite by Solid-State Nuclear Magnetic Resonance Spectroscopy為題，發表在《德國應用化學》上，并被遴選為Hot Paper。

　　甲烷、乙烷和丙烷等低碳烷烴在地球上儲量豐富，直接將低碳烷烴催化轉化為附加值較高的烯烴、芳烴等化工產品，可替代目前依賴于石油的化工生產路線，具有重要的應用價值。Ga修飾的分子篩在丙烷芳構化反應中表現出較高反應活性，丙烷在催化劑上的轉化涉及復雜的反應網絡，盡管已有較多研究，而對丙烷芳構化反應機理目前尚未有明確認識，在一定程度上阻礙了此反應過程的工業化應用。

　　研究團隊采用原位固體核磁共振技術結合色譜-質譜方法，剖析了Ga/ZSM-5分子篩催化丙烷芳構化反應過程，在間歇與流動反應條件下觀察到重要中間體環戊烯碳正離子的生成及轉化過程。研究表明，在間歇反應過程中，丙烷芳構化反應為自催化反應，包括初始期、誘導期及結束期三個階段。反應過程中生成的環戊烯碳正離子可作為“烴池”物種，促進丙烷的轉化，從而加速反應進行。在流動反應過程中，12C/13C同位素交換的固體NMR實驗進一步揭示了環戊烯碳正離子是高活性的“烴池”物種，可促進丙烷的轉化。科研人員基于實驗結果構建了Ga/ZSM-5分子篩上丙烷芳構化反應機制，丙烷在分子篩上脫氫形成初始烯烴物種，該過程反應速度較慢。初始烯烴進一步生成環戊烯碳正離子，在接下來的過程中，環戊烯碳正離子自身可以轉化為芳烴產物，環戊烯碳正離子能夠通過奪取丙烷分子上的氫負離子（hydride）而加速其脫氫過程，進而促進芳烴的生成。該研究揭示了分子篩上丙烷芳構化機制，將為丙烷芳構化反應的工業化應用提供重要指導。

　　研究工作得到國家自然科學基金、中科院、湖北省科技廳及中科院青年創新促進會的支持

Ga/ZSM-5分子篩上丙烷芳構化反應的烴池過程