催化学报 ›› 2026, Vol. 90: 145-157.DOI: 10.1016/S1872-2067(26)65189-3

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扩散-酸性协同效应调控ZnZrOx/SAPO-34串联催化剂实现高选择性CO2加氢制丙烯

陈栋航a, 刘俊辰a, 邓威b, 高彪a, 王逸夫a, 渡邊源規c, 石原逹己c, 郭利民a,d,e,*()   

  1. a 华中科技大学环境科学与工程学院, 绿色能源工业研究中心, 湖北武汉 430074, 中国
    b 江汉大学光电材料与技术学院, 湖北武汉 430056, 中国
    c 九州大学碳中和能源国际研究所, 福冈, 日本
    d 华中科技大学长江流域多介质污染协同控制湖北省重点实验室, 湖北武汉 430074, 中国
    e 朱拉隆功大学理学院化学技术系, 曼谷, 泰国
  • 收稿日期:2026-01-18 接受日期:2026-03-30 出版日期:2026-11-18 发布日期:2026-09-09
  • 通讯作者: *电子信箱: lmguo@hust.edu.cn (郭利民).
  • 基金资助:
    国家自然科学基金(22378152);国家自然科学基金(21878116);湖北省科技研究计划(2025CSA138);华中科技大学交叉研究计划(2024JCYJ018)

Diffusion-acidity cooperative effect in ZnZrOx/SAPO-34 tandem catalysts for enhanced CO2-to-propylene conversion

Donghang Chena, Junchen Liua, Wei Dengb, Biao Gaoa, Yifu Wanga, Motonori Watanabec, Tatsumi Ishiharac, Limin Guoa,d,e,*()   

  1. a Green Energy Industry Research Centre, School of Environmental Science and Engineering, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China
    b School of Optoelectronic Materials and Technology, Jianghan University, Wuhan 430056, Hubei, China
    c International Institute for Carbon-Neutral Energy Research, Kyushu University, Fukuoka 8190395, Japan
    d Hubei Key Laboratory of Multi-media Pollution Cooperative Control in Yangtze Basin, Huazhong University of Science and Technology, Wuhan 430074, Hubei, China
    e Department of Chemical Technology, Faculty of Science, Chulalongkorn University, Bangkok 10330, Thailand
  • Received:2026-01-18 Accepted:2026-03-30 Online:2026-11-18 Published:2026-09-09
  • Contact: *E-mail:lmguo@hust.edu.cn(L. Guo).
  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(22378152);National Natural Science Foundation of China(21878116);Hubei Provincial Science and Technology Research Project(2025CSA138);Interdisciplinary Research Program of Huazhong University of Science and Technology(2024JCYJ018)

摘要:

在CO2减排目标的驱动下, CO2资源化利用成为催化领域的重要研究方向. CO2加氢制烯烃, 尤其是丙烯, 因其在化工产业链中的重要地位而备受关注. 然而, 现有串联催化体系(如ZnZrOx/SAPO-34)通常生成C2-C4烯烃混合物, 丙烯选择性受限(通常< 50%), 这主要受制于反应网络复杂性以及丙烯易发生二次加氢生成丙烷等副反应. 从原理上看, 分子在分子筛孔道中的扩散行为以及Brönsted酸位性质共同决定了产物分布. 因此, 发展兼顾分子扩散与酸性调控的协同催化策略, 有望突破丙烯选择性瓶颈.

本工作提出并构建了一种扩散-酸性协同效应调控策略, 通过调控SAPO-34分子筛的形貌与酸性位点, 实现ZnZrOx/SAPO-34串联催化体系中丙烯选择性的显著提升. 首先, 通过共沉淀法制备ZnZrOx催化剂, 表征结果表明, Zn和Zr物种均匀分布, 并实现电子转移(Zr→Zn), 表明ZnZrOx催化剂的成功合成. 随后构建不同形貌SAPO-34 (微米级、纳米颗粒及纳米片), 并系统研究了它们的扩散性能. 动态吸附实验结果表明, 纳米片SAPO-34中甲醇和丙烯的扩散速率分别提高约2-2.5倍, 显著缩短分子停留时间, 从而有效抑制丙烯二次加氢反应. 在370 °C, 3 MPa条件下, 相比ZnZrOx/SAPO-34-COM, ZnZrOx/SAPO-34-NS催化剂上丙烯选择性由29.4%提升至46.3%, 同时轻烯烃选择性提高至78.6%. 在此基础上, 通过调控Si配位环境构建了富含Si(0Si,4Al)与Si(1Si,3Al)结构的SAPO-34-NS-BE, 显著提升了强Brönsted酸位比例. NH3-程序升温脱附与固体核磁表征显示, 该结构有效提升强酸位密度. 催化性能评价结果显示, 该协同体系实现19.2%的CO2转化率, 丙烯选择性提升至52.6%. 进一步, 在高空速条件下可提高至57.4%. 机理研究(原位漫反射红外光谱)表明, CO2在ZnZrOx上经甲酸盐(HCOO*)路径转化为甲氧基(CH3O*), 后者可迁移至SAPO-34表面并参与C-C偶联反应生成烯烃. 纳米片结构促进中间体快速迁移与转化, 而强Brönsted酸位促进C3分子生成, 两者协同作用提升丙烯选择性. 此外, 该催化体系表现出优异稳定性, 150 h反应后仍保持较高烯烃选择性.

综上, 本工作提出的扩散-酸性协同调控策略为CO2加氢制丙烯性能提升提供了可能, 并验证了其在多种金属氧化物体系中的可行性. 未来, 可进一步从界面耦合及反应动力学角度优化金属氧化物组分, 实现更高活性与稳定性. 本工作为高选择性烯烃合成及CO2高值转化提供了可供选择的路径.

关键词: CO2加氢, 串联反应, C-C偶联, 轻烯烃, 丙烯选择性

Abstract:

Achieving carbon neutrality requires the development of rational catalytic strategies for efficient CO2 utilization, particularly toward propylene, which global demand continues to increase. Herein, a diffusion-acidity cooperative effect strategy is proposed and implemented using ZnZrOx/SAPO-34 tandem catalysts to enhance propylene selectivity in CO2 hydrogenation. Compared with a ZnZrOx/conventional SAPO-34 catalyst, which exhibits 29.4% propylene selectivity among hydrocarbons, the optimized ZnZrOx/SAPO-34 system delivers a CO2 conversion of 19.2% with a substantially improved propylene selectivity of 52.6%, further rising to 57.4% at higher gas hourly space velocity. The results reveal that accelerating molecular diffusion within SAPO-34 promotes the rapid transport and transformation of hydrogenated intermediates formed on ZnZrOx, thereby suppressing undesired secondary hydrogenation pathways. Simultaneously, an increased content of strong Brönsted acid sites associated with Si(0Si,4Al) and Si(1Si,3Al) facilitates selective propylene formation. These findings suggest diffusion-acidity cooperative effect as a possible design principle for efficient CO2-to-propylene conversion over ZnZrOx/SAPO-34.

Key words: CO2 hydrogenation, Tandem process, C-C coupling, Light olefins, Propylene selectivity1. Introduction