【導讀】

在反應系統中，浙大中科選擇性和快速去除水產物是院最提高在熱力學、動力學上受水限制反應中催化性能的材料非常理想途徑。設計成包含水傳導納米通道的浙大中科膜反應器可能會改變反應平衡，但是院最大規模制備無缺陷膜具有挑戰性。其中，材料催化劑表面的浙大中科化學疏水化可通過加速水的擴散來促進反應，但在大多情況下化學相互作用可能會改變催化劑表面的院最結構，甚至阻礙反應物分子的材料進入來阻塞活性位點。通過促進水分子在催化劑表面形成后的浙大中科快速解吸，水的院最吸附平衡發生變化，如*H₂O?* + H₂O（*表示催化劑表面位點）。材料在前期研究中，浙大中科在給定反應條件下（H₂/CO為21800 ml g_CoMnC^-1hours^-1, 0.1 MPa, 250 °C）的院最合成氣轉化中，鈷錳碳化物（CoMnC）催化劑的材料CO轉化率為32.2%，對輕質烯烴具有選擇性（C₂⁼至C₄⁼）為60.8%。通過將催化劑與促進劑混合，將輕質烯烴的生產率提高了3.4倍。機理研究表明，水分子在CO加氫形成后迅速從催化劑表面解吸，避免了與CO反應物的競爭吸附，這是反應過程中的關鍵步驟。

【成果掠影】

在2022年7月21日，浙江大學肖豐收教授和王亮研究員、中科院精密測量科學與技術創新研究院鄭安民研究員（共同通訊作者）等人報道了一種將鈷錳碳化物（CoMnC）催化劑與無孔聚二乙烯基苯聚合物（poly(divinylbenzene), PDVB）物理混合形成的混合催化劑（CoMnC/PDVB），具有水滴接觸角145°，不規則形態，表面積<5 m²/g，其中疏水PDVB具有化學惰性表面和良好的熱穩定性。在同等反應條件下，對比CoMnC催化劑，CoMnC/PDVB具有顯著提高的CO轉化率（63.5%）和對輕質烯烴的選擇性（71.4%）。同時，CoMnC/PDVB在120 h的連續測試中具有良好的耐久性。此外，CoMnC/PDVB上的C₅₊副產物，戊烯和己烯的比例分別為50.3%和26.0%，這些是生產高性能聚合物和有價值化學品的理想產品。機理研究發現，PDVB與CoMnC的簡單物理混合物可以調節催化劑的局部環境，從而在合成氣轉化中快速傳輸水產物。通過改變催化劑表面的吸水平衡，導致更大比例的自由表面，從而將合成氣轉化率提高近2倍。研究成果以題為“Physical mixing of a catalyst and a hydrophobic polymer promotes CO hydrogenation through dehydration”發布在國際著名期刊Science上。

【數據概覽】

圖一、合成氣生產輕烯烴的催化數據?2022 American Association for the Advancement of Science

圖二、不同物理混合方法和催化劑耐久性的影響?2022 American Association for the Advancement of Science

圖三、PDVB優化的吸水性?2022 American Association for the Advancement of Science

圖四、理論模擬?2022 American Association for the Advancement of Science

【成果啟示】

總之，作者證明了疏水性促進劑在合成氣轉化中的重要性。該策略可用于升級工業催化過程，而無需修改催化劑本身。此外，該策略在概念上不同于使用有機硅烷的催化劑親水化，被描述為化學改性路線，其中合成氣轉化的轉化率沒有明顯改善，但通過阻礙不希望的水煤氣變換降低了CO₂選擇性。考慮到許多加氫反應受水的強烈影響，使用具有所需潤濕性的促進劑的物理調節方法可以指導未來更高效催化劑的設計。

文獻鏈接：Physical mixing of a catalyst and a hydrophobic polymer promotes CO hydrogenation through dehydration. Science, 2022, DOI: 10.1126/science.abo0356.

本文由CQR編譯。

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