寧波材料所在分子篩膜反應(yīng)器研究方面取得進展
反應(yīng)和分離是化學工業(yè)的兩大基本過程，反應(yīng)-分離一體化是一項極具挑戰(zhàn)性的課題。膜催化反應(yīng)把化工過程的催化和分離過程耦合在同一個反應(yīng)器中，同時完成化學反應(yīng)和產(chǎn)品分離兩個過程，從而實現(xiàn)反應(yīng)分離一體化的目的，具有簡化流程，節(jié)省投資，降低能耗等優(yōu)點。膜催化反應(yīng)技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵與核心是研制出既對反應(yīng)物具有高催化活性、又對反應(yīng)產(chǎn)物具有高分離選擇性，同時兼有高熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性的反應(yīng)分離雙功能催化膜。
分子篩膜催化具有良好的催化活性和分子篩分性能以及較高的熱穩(wěn)定性和化學穩(wěn)定性，逐漸成為催化和材料學科交叉的研究熱點，在國內(nèi)外受到廣泛重視并有望取得成效的一種新型的膜催化反應(yīng)。最近，中科院寧波材料所無機膜分離和催化研究團隊針對甲醇催化轉(zhuǎn)化制備二甲醚的反應(yīng)和分離特征，通過調(diào)控分子篩膜的微觀結(jié)構(gòu)，制備得到具有三明治復(fù)合結(jié)構(gòu)的反應(yīng)分離雙功能FAU-LTA分子篩膜反應(yīng)器（圖1，圖2）。通過分子篩膜反應(yīng)器中的LTA分子篩膜連續(xù)不斷地把反應(yīng)體系中的副產(chǎn)物水蒸汽分離出，一方面，可以打破原有的化學反應(yīng)平衡，使反應(yīng)向生產(chǎn)二甲醚的方向進行，從而提高反應(yīng)的轉(zhuǎn)化率、產(chǎn)品的選擇性及抑制副反應(yīng)的發(fā)生；另一方面，LTA分子篩膜有選擇地分離出毒害催化劑催化活性的副產(chǎn)物水蒸汽，可以提高反應(yīng)的速度和催化劑的使用壽命。研究表明，通過分子篩膜催化反應(yīng)制備二甲醚，甲醇的轉(zhuǎn)化率在310 oC下達到90.9%，二甲醚選擇性達到100%，大大高于固定床反應(yīng)器（見圖3），具有很好的應(yīng)用前景。研究結(jié)果最近發(fā)表在“德國應(yīng)用化學”(Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55(41), 12678-12682, DOI: 10.1002/anie.201604753) 上。
該研究得到了國家自然科學基金、中科院國際合作重點項目、寧波市創(chuàng)新團隊等項目的資助。
圖1. 反應(yīng)分離雙功能分子篩膜反應(yīng)器催化轉(zhuǎn)化甲醇制備二甲醚示意圖
圖2. LTA分子篩膜（a, b）和FAU-LTA復(fù)合分子篩膜（c, d）表面和斷面的掃描電鏡照片
圖3. 分子篩膜催化反應(yīng)器制備二甲醚的反應(yīng)轉(zhuǎn)化率和選擇性隨溫度變化示意圖。
（CMR：膜催化反應(yīng)器，CFR：固定床反應(yīng)器）
（新能源所 周陳）