近日，精密測量院研究員徐君和鄧風(fēng)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(jìn)展，該團隊利用原位固體核磁共振技術(shù)研究了鎵（Ga）修飾ZSM-5分子篩（Ga/ZSM-5）催化丙烷轉化制芳烴過(guò)程，發(fā)現了環(huán)戊烯碳正離子中間體，并用實(shí)驗證實(shí)該碳正離子可作為活性“烴池”物種催化丙烷生成輕質(zhì)芳烴（苯、甲苯、二甲苯）的轉化機制，相關(guān)研究成果發(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Angew. Chem. Int. Ed.（《德國應用化學(xué)》）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(chǎn)品，可替代目前依賴(lài)于石油的化工生產(chǎn)路線(xiàn)，因此有非常重要的應用價(jià)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一個(gè)復雜的反應網(wǎng)絡(luò )，盡管已有大量研究，但對丙烷芳構化反應機理目前仍然沒(méi)有明確的認識，在一定程度上妨礙了此反應過(guò)程的工業(yè)化應用。

　　研究團隊采用原位固體核磁共振技術(shù)結合色譜-質(zhì)譜方法，研究了Ga/ZSM-5分子篩催化丙烷芳構化反應過(guò)程，在間歇以及流動(dòng)反應條件下觀(guān)察到重要中間體環(huán)戊烯碳正離子的生成以及轉化過(guò)程。研究表明，在間歇反應過(guò)程中，丙烷芳構化反應為自催化反應，包括初始期、誘導期以及結束期三個(gè)階段。反應過(guò)程中生成的環(huán)戊烯碳正離子可作為“烴池”物種，極大促進(jìn)丙烷的轉化，從而加速反應的進(jìn)行。在流動(dòng)反應過(guò)程中，通過(guò)¹²C/¹³C同位素交換的固體NMR實(shí)驗，進(jìn)一步揭示了環(huán)戊烯碳正離子是一種高活性的“烴池”物種，可促進(jìn)丙烷的轉化。研究人員基于實(shí)驗結果構建了Ga/ZSM-5分子篩上丙烷芳構化反應機制，丙烷首先在分子篩上脫氫形成初始烯烴物種，該過(guò)程反應速度較慢。初始烯烴會(huì )進(jìn)一步生成環(huán)戊烯碳正離子，在接下來(lái)的過(guò)程中，一方面環(huán)戊烯碳正離子其自身可以轉化為芳烴產(chǎn)物，另一方面環(huán)戊烯碳正離子能夠通過(guò)奪取丙烷分子上的氫負離子（hydride）而加速其脫氫過(guò)程，進(jìn)而促進(jìn)芳烴的生成。該研究工作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(yè)化應用提供重要指導。

Ga/ZSM-5分子篩上丙烷芳構化反應的烴池過(guò)程

　　相關(guān)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(fā)表在學(xué)術(shù)期刊Angew. Chem. Int. Ed. （《德國應用化學(xué)》）上。精密測量院副研究員王超和博士趙星嶺為該文章的共同第一作者，徐君為文章通訊聯(lián)系人。

　　該項研究工作得到了國家自然科學(xué)基金委、中國科學(xué)院、湖北省科技廳以及中科院青年創(chuàng )新促進(jìn)會(huì )的支持。

　　論文鏈接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202111111