实现“双碳”目标离不开二氧化碳的减排，而二氧化碳的规模化高附加值利用是极具挑战性的重要战略方向。4月3日，记者从中国科学院大连化学物理研究所了解到，该所刘中民院士团队提出了二氧化碳与烷烃耦合制备芳烃大宗化学品的新途径。
研究团队发现使用酸性分子筛作为催化剂，可催化二氧化碳与轻质烷烃发生耦合反应，同时促进芳烃的生成，产物中芳烃选择性高达80%。在特定条件下，约3/4的二氧化碳转化为可用作化工原料的一氧化碳产物，进一步研究证实约1/4已转化的二氧化碳的碳原子直接进入了芳烃产物。
据介绍，将二氧化碳作为原料高效转化为大宗化学品一直是巨大挑战。芳烃是有机化工中重要的基础原料，目前主要通过石脑油催化重整等石化路线进行生产，存在原料和目标产品之间碳氢不平衡的问题。引入二氧化碳与富氢的烷烃耦合调控其反应的碳氢平衡，提高目标产物选择性，同时将二氧化碳转化为有用的化工原料或产品，以实现二氧化碳资源化利用，对传统芳烃生产技术具有变革性意义。
研究团队以HZSM-5分子筛为催化剂，对比研究了正丁烷、正戊烷和正己烷在氦气和二氧化碳气氛中的转化反应，并详细研究了分子筛酸性、反应温度、压力、二氧化碳加入量等条件对耦合反应的影响。结果表明，二氧化碳的引入可大幅促进芳烃的生成，同时甲烷和乙烷等小分子烷烃的生成受到抑制。
对反应后的催化剂进行分析，研究团队发现了大量甲基取代的内酯和甲基取代的环烯酮等含氧物种。通过同位素标记实验和一系列验证实验，他们证实这些含氧中间体由二氧化碳与烃类耦合转化生成，提出并证明了耦合反应发生的途径，即二氧化碳与碳正离子反应得到环内酯，环内酯进一步转化为甲基环烯酮，甲基环烯酮转化为芳烃产物。研究团队进一步采用密度泛函理论计算了耦合反应机理各步骤的能垒，验证了耦合反应机理的可行性。
“这项成果最大的亮点是证实了二氧化碳与烷烃耦合反应不仅可以将其转化为一氧化碳，更重要的是部分二氧化碳的碳原子可以直接进入芳烃产物，促进芳烃的生成并提高产物中芳烃的选择性，为二氧化碳大规模资源化利用提供了一条有效的途径，具有广阔的应用前景。”刘中民表示，将二氧化碳作为碳资源进行高附加值利用，对实现“双碳”目标的技术路径设计具有重大意义。
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