芳烃，尤其是苯，甲苯和二甲苯(BTX)等轻质芳烃，是现代化学工业中重要的基础原料，可以用于生产合成橡胶、合成纤维、合成树脂等多种化工产品和精细化学品。低碳烷烃芳构化是将石油化工和煤化工领域产生的低价值烷烃进行高值化利用的重要途径。

近日，中国科学院山西煤炭化学研究所樊卫斌研究员团队在低碳烷烃芳构化方向取得重要进展，以《Single [Ga(OH)]²⁺ species supported on mesoporous hollow-structured H-ZSM-5: A highly efficient light alkanes aromatization catalyst》（[Ga(OH)]²⁺负载介孔中空结构H-ZSM-5: 一种高效低碳烷烃芳构化催化剂）为题发表在《Chinese Journal of Catalysis》期刊上。该论文通过精准调控Ga物种在ZSM-5分子筛上的存在状态，揭示了Ga物种与分子筛B酸位点协同催化低碳烷烃芳构化反应机理。

ZSM-5分子筛上Ga物种结构和状态地精准调控

团队研制了具有微孔-介孔-大孔结构的ZSM-5分子筛，通过控制合成条件，有效调控了负载Ga物种的结构和状态。TEM结果表明通过重结晶、碱处理等手段成功合成了具有微孔-介孔-大孔结构的ZSM-5分子筛。iDPC-STEM结果证明Ga物种主要以单原子结构存在（平均粒径为0.23 nm）。同步辐射与固体核磁结果表明，Ga负载量小于0.47%时，以四配位Ga物种为主；负载量高于0.7%时，出现六配位Ga物种。Ga含量与ZSM-5分子筛B酸位点的交换度表明，当Ga负载量小于0.3%时，主要以[Ga(OH)]²⁺物种为主；随着Ga负载的增加，开始形成较多的[Ga(OH)2]⁺物种和GaOx团簇。

微孔-介孔-大孔ZSM-5分子筛负载Ga物种的结构表征

低碳烷烃芳构化反应网络的建立

通过程序升温表面反应、动力学实验及密度泛函理论计算等揭示了低碳烷烃芳构化反应机理。低碳烷烃首先在[GaH]²⁺位点脱氢形成低碳烯烃，随后在临近的H⁺位点上发生齐聚，环化反应形成环己烷、环戊烷类中间体，并进一步在H⁺位点上扩环形成环己烷类中间体，这些环状中间体最后在[GaH]²⁺位点上脱氢生成芳烃。

丙烷芳构化反应网络

低碳烷烃芳构化反应性能测试

Ga-MH-ZSM-5催化剂在丙烷芳构化反应中表现出优异的性能。丙烷转化率和芳烃选择性分别高达97.4%和78.2wt%，其中，轻质芳烃（BTX）占比高达88%。

Ga-MH-ZSM-5催化剂丙烷芳构化反应性能

这项研究为低碳烷烃/烯烃芳构化乃至石脑油芳构化过程的高性能催化剂设计和反应机理研究提供了理论指导。

（603课题组）