镍负载无定形硅铝与FER沸石协同催化乙烯直接高效转化为异丁烯的创新研究

针对乙烯直接转化异丁烯选择性低的难题，日本研究人员创新性地将NiO/SiO2-Al2O3（Ni-SA）二聚催化剂与FER沸石骨架异构催化剂分层组合，在300℃下实现异丁烯选择性31%的突破，为页岩气原料高值化利用提供新路径。

　　

随着页岩气和天然气资源开发的加速，如何将其主要成分乙烯高效转化为高附加值化学品成为研究热点。异丁烯作为MTBE（甲基叔丁基醚）、ETBE（乙基叔丁基醚）等汽油添加剂的关键原料，当前主要依赖石油裂解副产，供需矛盾日益突出。传统乙烯二聚催化剂虽能生成正丁烯，但异丁烯选择性普遍低于5%；而沸石骨架异构催化剂虽能高效转化正丁烯为异丁烯，却无法直接作用于乙烯。这一"断链"问题严重制约了乙烯一步法生产异丁烯的工业化进程。

日本国立先进工业科学技术研究所（AIST）的Katsuya Shimura团队在《Applied Catalysis A: General》发表研究，创造性提出"双催化剂分层协同"策略：上层采用Ni-SA催化剂实现乙烯二聚，下层通过FER（Ferrierite）沸石完成骨架异构化。研究人员通过系统优化沸石晶体结构（10元环通道）、SiO₂/Al₂O₃比（调控酸性位点密度）及Fe离子交换改性，最终在300℃、0.1MPa条件下实现异丁烯选择性31%的行业最高纪录，催化剂寿命超过100小时。

关键技术包括：1）共沉淀法制备Ni-SA催化剂；2）多参数筛选沸石类型（FER/ZSM-5/SAPO-11等）及SiO₂/Al₂O₃比（20-51）；3）金属离子（Fe/Ni/Co）交换调控沸石酸性；4）固定床反应器分层装填技术。

【催化剂制备】
采用尿素均匀沉淀法合成SiO₂-Al₂O₃载体，经500℃焙烧后负载NiO；FER沸石通过离子交换引入Fe³⁺，NH₃-TPD（程序升温脱附）证实其适度酸性位点（0.8 mmol/g）有利于抑制积碳。

【异构化催化剂影响】
对比实验显示：单独Ni-SA产物中正丁烯占80%（异丁烯仅1%），而叠加FER(51)后异丁烯选择性骤增至28%。机理分析表明，FER的10-MR（10元环）孔道能选择性吸附正丁烯，其孔口单芳烃物种在Br?nsted酸位点极化下促进骨架重排。

【金属离子交换效应】
Fe-FER使异丁烯选择性提升至31%，DFT计算揭示Fe³⁺通过电荷转移增强酸中心稳定性，TPO（程序升温氧化）证实积碳速率降低40%。而过度交换（>5wt%）会导致孔道堵塞，选择性反降。

【反应条件优化】
300℃时Ni-SA二聚活性（转化率45%）与FER异构化效率（空速2.4 h^-1）达到最佳平衡，温度超过350℃会引发乙烯氢化裂解副反应（C3产物增加至15%）。

该研究通过"接力催化"设计破解了乙烯直接转化异丁烯的选择性瓶颈，其创新价值体现在：1）首次证实FER沸石在乙烯转化体系中的独特选择性，突破ZSM-5催化剂17%选择性的天花板；2）开发的Fe离子交换工艺兼顾活性与稳定性，较传统CrO_x/Al₂O₃催化剂毒性更低；3）为页岩气下游产品链开发提供新思路，据测算可使异丁烯生产成本降低22%。未来研究可进一步探索双功能催化剂的纳米尺度空间组装，有望实现单反应器内更高效的串联转化。