C1资源高效利用的催化基础

The catalytic activation and oriented transformation of C1 molecules is one of the crucial operations to realize the efficient utilization of carbon resources. The synthesis of value-added compounds with C1 molecules as the starting materials should be an ideal choice for C1 molecules transformation. The main research of this project will concentrate on the designing and preparing of molecular and nano-scale metal/carbon catalysts with defined structures for the selective activation and oriented transformation of the C=O, C-O and C-H bonds in C1 molecules. The structures of the catalysts will be revealed via extensive characterizations, and the active intermediates and reaction mechanism will be discovered via in-situ characterization, isotope tracing reaction and computational chemistry study. The relationships among the catalysts preparation method, catalyst structures and their performances in the selective activation of C=O, C-O and C-H bonds for catalytic carbonylation, methylation and hydrogenation reactions will be built. The implementation of this project will promote the research of C1 molecules activation and oriented conversion of C1 molecules to value-added chemicals.

C1分子的催化活化和定向转化是实现碳资源高效利用和碳循环的关键之一，以C1分子为基础原料进行高附加值化学品的合成是实现其活化利用的理想路线。本课题主要以C1分子中含碳化学键的活化、断裂和定向构建为主要研究目标，以性能优异的分子和纳米催化体系的设计、合成和制备为手段，创制新型的分子催化剂、非贵金属纳米催化材料、功能化碳基纳米材料等催化新体系，研究C-O、C=O、C-H等化学键的活化与定向转化机制。通过原位分析、同位素示踪和理论模拟计算等方法揭示其反应机理，从实验和理论上揭示催化剂制备方法、结构及其活化C1分子不同化学键的性能之间的关系。关联催化材料与其催化C1分子羰基化、甲基化、选择性加氢等反应的性能之间的内在联系。最终初步揭示C1分子活化转化中的催化反应本质问题，构建高效催化反应新体系，为C1资源的高效利用及基于C1资源的精细化学品清洁合成奠定科学基础。

以一氧化碳、二氧化碳、甲醇、甲醛等为代表的C1资源的高效转化利用是现我国碳基能源低碳高效利用、推进二氧化碳循环进而减少碳排放的有效途径。本项目设计与制备出一系列分子和金属纳米催化材料，对所制备的分子和纳米催化材料的结构进行了系统表征，对其在CO2、CO、甲醇、甲醛等C1分子催化活化和定向转化中的性能进行了深入研究，通过原位表征和理论计算揭示了C1分子活化转化机制。取得的代表性结果如下：.1、建立了较为系统的CO2、CO、甲醇、甲醛等C1分子活化转化的催化体系，对CO2、CO、甲醇、甲醛等C1分子催化转化合成含氮、氧大宗化学品和含、氮氧功能分子开展了较为深入的研究，形成了较为系统的研究结果。.2、揭示分子和纳米催化材料的结构特征，明确了催化材料与CO2、CO、甲醇、甲醛等C1分子的作用机制，形成了针对CO2、CO、甲醇、甲醛等C1分子催化活化和定向转化催化材料制备的指导性、规律性认识。.3、 结合原位FT-IR、原位NMR、原位EPR等手段对所获得的典型催化体系和反应过程进行了系统的表征，形成较为明确的催化反应机理。.在本项目的支持下研究团队与企业合作发展出具有自主知识产权的乙烯、一氧化碳和甲醇催化羰化合成丙酸甲酯催化剂。该技术已经获得中国发明专利授权（ZL201911377577.3）并正在申请美、日等国际专利。该专利技术突破了璐彩特、赢创等国际跨国公司自1987年以来对该领域的专利垄断，为发展我国具有自主知识产权的乙烯羰化制丙酸甲酯进而与甲醛缩合制甲基丙烯酸甲酯奠定了基础。目前，项目团队正与企业合作，实施工业化中试和应用。.本项目实施以来，共发表研究论文92篇，出版《Carbonyl Compounds-Reactants, Catalysts and Products》（作者：石峰，王红利，代兴超，2021，WILEY-VCH）、《Catalytic Amination for N-Alkyl Amine Synthesis》（石峰，崔新江，2018，Elsevier）和《绿色催化》（邓友全，石峰，2018，科学出版社）等3部专著，申请中、美、日等国发明专利22件。