二氧化碳和甲烷不仅是温室气体，更是重要的C1资源。然而，由于二者极高的热力学稳定性，以二氧化碳和甲烷为原料的高值化利用极具挑战性。近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员朱文良、刘中民院士团队在二氧化碳与甲烷资源化耦合转化研究中取得新进展。团队提出了二氧化碳和甲烷衍生物氯甲烷在分子筛作用下高选择性制备芳烃新路径，阐明了复杂体系下芳烃的生成机理，并证实了二氧化碳直接参与芳烃的生成，为二氧化碳和甲烷大规模资源化利用提供了新思路。相关成果发表在《化学催化》上。
耦合转化示意图。大连化物所供图
目前，二氧化碳和甲烷主要通过干重整路径生成合成气，该过程反应温度高，催化剂易失活，限制了其发展和应用。而卤代甲烷作为平台分子，可以在温和条件下转化为高附加值化学品，极大程度上降低了甲烷转化的难度。同时，向富氢的氯甲烷转化体系中引入二氧化碳可以有效调控反应物与产物的碳氢平衡，对实现氯甲烷与二氧化碳高效定向转化意义重大。然而，二氧化碳能否与氯甲烷发生耦合作用并且直接进入目标产物，是该过程需要解决的关键问题。
本工作中，基于富氢物种与缺氢物种耦合调控氢碳比的思想，团队发展了酸性分子筛催化氯甲烷与二氧化碳耦合制芳烃的新路径。研究发现，二氧化碳的引入不仅促进氯甲烷的转化，而且芳烃选择性明显提高，尤其是苯、甲苯、二甲苯的选择性。团队借助于原位红外、同位素示踪等表征手段对其反应机理进行了讨论，证明了二氧化碳直接参与了芳烃的生成。进一步地，团队通过对关键中间体捕捉，证实了内酯、环戊烯酮以及环烯烃是氯甲烷与二氧化碳耦合转化的关键中间物种，并提出了氯甲烷与二氧化碳反应体系下的芳烃生成机理。
上述研究工作为甲烷和二氧化碳大规模高值化利用提供了新思路，具有广阔地发展前景。
相关论文信息：https://doi.org/10.1016/j.checat.2023.100689
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