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中科院大化所甲醇直接制乙二醇研究取得新进展

来源:中科院大化所 发布时间:2018-03-27

   近日,我所催化基础国家重点实验室邓德会研究员与厦门大学王野教授、程俊教授等合作在甲醇C-C键偶联直接制乙二醇的研究上取得新进展,相关研究成果发表在《自然-通讯》(Nature Communications)上。

   甲醇经可控的C-C偶联反应制备C2或多个碳原子的化合物是化学领域极具吸引力和挑战性的反应。当前甲醇C-C键的偶联反应主要局限于羰基化反应和脱水偶联制备烯烃或芳香烃,即MTO或MTA过程,其特点是难以高选择性获得特定的产物。保留甲醇分子的C-OH键而选择性地活化C-H键生成乙二醇被公认为是化学领域最具挑战性的反应之一。

   作为重要的基础化学品,乙二醇不仅是重要塑料产品PET的主要原料,而且在化学工业中其它领域用途广泛。当前工业上90%以上的乙二醇生产都是通过石油路线,即乙烯环氧水合路线,该过程效率不高、能耗大。此外,通过煤基合成气经草酸二甲酯合成乙二醇的路线工艺流程长、成本高。而甲醇可由煤、天然气、生物质乃至二氧化碳经合成气或直接制备、廉价易得,是重要的C1平台分子。因此,由甲醇直接制备乙二醇意义重大。

   鉴于此,邓德会研究团队在长期对二维MoS2催化材料的设计和表界面调控的基础上(Nat. Commun.,Nat. Nanotechnol.,Energy Environ. Sci.),与厦门大学王野课题组、程俊课题组合作,成功构建了多孔MoS2-foam修饰的CdS纳米棒催化剂,首次实现了可见光照射下甲醇的脱氢偶联制备乙二醇和氢气的反应,并通过设计集反应和分离为一体的反应器,实现乙二醇选择性高达90%、收率16%、量子效率5%(450nm)。进一步的理论计算和实验表征表明,CdS表面产生的光生空穴可以在不影响甲醇OH键的情况下,通过质子和电子协同转移(CPET)过程选择性地活化甲醇的C-H键,生成羟甲基自由基(·CH2OH)。MoS2-foam不仅可以有效促进CdS表面电子的转移,产生光生空穴,而且可以促进·CH2OH在MoS2-foam孔道里偶联生成乙二醇。所制备的MoS2-foam/CdS复合催化剂极大地促进了乙二醇的生成速率,其乙二醇的生成速率比单纯CdS提升了20余倍。该可见光驱动的甲醇转化新过程不仅提供了一种温和条件下乙二醇高效制备的方法,而且为存在羟基等官能团的小分子中惰性C-H键的选择活化开辟了一条新的途径。

   以上研究得到国家重点研发计划、国家自然科学基金委、中科院前沿科学重点研究项目和教育部能源材料化学协同创新中心(2011·iChEM)的资助。

(文/图 邓浇、谢顺吉)