【科學(xué)網(wǎng)】《自然》：巧制正丁醛，新型多相催化體系立大功
《中國科學(xué)報(bào)》4月25日從中國科學(xué)院山西煤炭化學(xué)研究所（以下簡稱山西煤化所）獲悉，該所研究員曹直團(tuán)隊(duì)與中科合成油技術(shù)股份有限公司合作，首次在多相催化劑上實(shí)現(xiàn)了丙烯氫甲酰化超高區(qū)域選擇性制取正丁醛。因正丁醛下游產(chǎn)品涉及多個工業(yè)門類與眾多化工產(chǎn)品，因此該研究成果將對全球千萬噸級別的烯烴氫甲酰化工藝技術(shù)產(chǎn)生重大影響。
相關(guān)研究成果發(fā)表在國際期刊《自然》上，山西煤化所為論文第一完成單位。
氫甲酰化反應(yīng)能將基本化工原料（如烯烴、一氧化碳和氫氣）轉(zhuǎn)化為醛，是烯烴高值轉(zhuǎn)化利用的重要途徑。全球每年有超過1000萬噸的烯烴通過該反應(yīng)路徑實(shí)現(xiàn)了高值轉(zhuǎn)化，是規(guī)模最大的均相催化過程之一。其中，銠催化的丙烯氫甲酰化占全部產(chǎn)能的70%以上。
然而，由于銠絡(luò)合物催化劑與原料和產(chǎn)物處于同一相態(tài)，反應(yīng)后催化劑分離與循環(huán)使用中不可避免地伴隨著銠的流失。近年來，銠價(jià)格大幅攀升，從2016年至2020年狂漲20倍，已成為最貴的貴金屬，銠的流失成為難以承受之重。
對此，業(yè)界一直在尋求有效的解決方案。科研團(tuán)隊(duì)耗時(shí)五年，研發(fā)了新型多相“銠-分子篩”負(fù)載型催化體系，首次實(shí)現(xiàn)了多相催化劑上丙烯氫甲酰化大于99%超高區(qū)域選擇性制取出正丁醛，并且醛類產(chǎn)物總選擇性也高于99%，催化劑轉(zhuǎn)化頻率超過6500 h-1，超越了迄今為止報(bào)道的所有多相催化劑和絕大部分的均相催化劑。
曹直介紹說，選擇性是目標(biāo)產(chǎn)品在總產(chǎn)物中的占比，代表著有效性；轉(zhuǎn)化頻率是每個金屬銠原子在一小時(shí)內(nèi)轉(zhuǎn)化烯烴原料的量，代表著效率。這兩項(xiàng)指標(biāo)的大幅提升在工業(yè)生產(chǎn)中意味著產(chǎn)品分離過程中能耗和催化劑用量的降低，考慮到巨大的工業(yè)體量，在大規(guī)模生產(chǎn)中意味著巨大的經(jīng)濟(jì)利益。
理論上，該研究挑戰(zhàn)了熱力學(xué)上不利的“反馬氏加成”，并拓展了經(jīng)典分子篩孔道擇形概念的外延。曹直介紹道，新型催化劑體系為丙烯氫甲酰化工業(yè)生產(chǎn)中存在的巨大挑戰(zhàn)提供了新的解決思路與方法，也契合均相催化多相化的學(xué)科發(fā)展趨勢。
該論文得到了審稿人的高度評價(jià)。審稿意見稱這種催化劑實(shí)現(xiàn)的高區(qū)域選擇性是“令人贊嘆的”，是“目前報(bào)道的其他任何負(fù)載型催化劑都達(dá)不到的水平”。
不僅如此，該催化劑還具有很高的反應(yīng)活性——這對工業(yè)應(yīng)用來說非常重要。傳統(tǒng)均相分子催化劑通常是溶解在溶液中進(jìn)行反應(yīng)，因此在催化劑回收和循環(huán)使用方面面臨巨大的挑戰(zhàn)。這種新性負(fù)載型催化劑體系為取代傳統(tǒng)分子催化劑提供了可能性，有望解決上述問題，具有重大意義。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41586-024-07342-y
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