反应中间体的探测与表征是诠释化学反应机理的关键。然而,这些反应中间体的数量密度低、寿命短、结构复杂,对它们的实验研究非常困难,往往需要高灵敏度、高时间分辨以及对结构敏感的谱学等探测方法。江凌团队将高分辨率质谱与光参量振动激光器相结合,自主研制了具有国际先进水平的红外光解离光谱(Phys. Chem. Chem. Phys., 2018, 20, 25583),可原位/在线高灵敏探测关键反应中间体的组成与结构,对诠释催化反应机制具有重要作用。
低碳烯烃是化学工业中最基本的原料之一(产能接近4亿吨/年),其生产过程会引入少量炔烃杂质,对其聚合与后续加工产生极大影响。高效去除炔烃杂质、生产聚合物级低烯烃对许多工业过程非常重要,是具有极大挑战性的国际前沿科学问题。
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近期,南开大学李兰冬课题组设计合成了镍负载八面沸石催化剂(Ni@FAU),它在乙炔/乙烯、丙炔/丙烯、丁炔/丁二烯等分离过程中均表现出高炔烃动态吸附容量(1.58~1.80 mmol/g)与炔烃/烯烃分离选择性(83~100)。Ni@FAU同时表现出优异的循环稳定性,且对操作条件(温度、压力、气体浓度、杂质等)不敏感,可满足工业吸附分离的基本要求。
江凌团队利用自主研制的红外光解离实验装置,对Ni@FAU对乙炔/乙烯的吸附机制进行了研究,成功探测到了Ni(C2H2)3,然而并没有发现Ni(C2H4)n。该实验结果证实,Ni@FAU对乙炔具有较高的吸附选择性,具有在混合气流中去除痕量乙炔的分离能力,确认了基于化学键的炔烃/烯烃分离的新策略,有望推动Ni@FAU分子筛材料在相关工业吸附分离过程中的应用。利用先进的谱学技术从分子、团簇、表界面多层次揭示能源小分子与催化剂的化学反应规律,为新型高效吸附催化材料的设计开发提供了新的思路。
相关成果发表在《科学》(Science)上。该工作得到国家自然科学基金委“动态化学前沿研究”科学中心项目资助。(文/图 王冲)