我甲烷转化研究获重大突破 实现天然气一步高效制备乙烯、芳烃和氢气(中国化工报2014-05-15)

  记者 陶加 发布时间:2014-05-15

  来源:中国化工报

  创新亮点

  甲烷可在无氧条件下选择活化

  一步高效生产乙烯、芳烃和氢气等高值化学品

  产物乙烯、苯和萘的选择性大于99%

  碳原子利用效率达到100%

  本报讯 5月13日,中国化工报记者从中国科学院大连化学物理研究所获悉,该所包信和院士团队基于纳米限域催化的新概念,创造性地构建了硅化物晶格限域的单中心铁催化剂,成功实现了甲烷在无氧条件下选择活化,一步高效生产出乙烯、芳烃和氢气等高附加值化学品。相关成果发表在5月9日出版的Science杂志上,相关的PCT(专利合作条约)专利申请已进入美国、俄罗斯、日本、欧洲和中东等国家和地区。

  迄今为止,天然气的转化利用通常采用两步法。首先,在高温条件下通过混合氧气、二氧化碳或水蒸气,将天然气中的甲烷分子重整为含一定比例一氧化碳和氢气分子的合成气。随后,或采用费托合成方法,在特定催化剂上将合成气转化为高碳烃类分子(油品和基础化学品等);或先由合成气制备甲醇,再经微孔分子筛催化剂脱水,生产烯烃和其他化学品。

  传统的甲烷转化路线冗长,投资和消耗高。尤为突出的问题是,采用氧分子作为甲烷活化的助剂或介质,不可避免地会形成和排放大量二氧化碳,不但影响生态环境,总碳利用率也通常也不会超过一半。因此,人们一直都在努力探索天然气直接转化利用的有效方法与过程。

  具有四面体对称性的甲烷分子是自然界中最稳定的有机小分子,它的选择活化和定向转化是一个世界性难题,被誉为是催化,乃至化学领域的“圣杯”。甲烷分子C-H键的有效活化通常都需要采用强氧化剂(如强酸等)或高温氧原子,甚至要有强烈的外场(如等离子体、微波和激光等)辅助。由于这类方法存在效率低下、化学选择性差和环境不友好等缺陷,目前还没有真正实现工业化生产的实例。

  在二十多年甲烷催化转化研究的基础上,包信和团队将具有高催化活性的单中心低价铁原子通过两个碳原子和一个硅原子镶嵌在氧化硅或碳化硅晶格中,形成高温稳定的催化活性中心;甲烷分子在配位不饱和的单铁中心上催化活化脱氢,获得表面吸附态的甲基物种,进一步从催化剂表面脱附形成高活性的甲基自由基,随后在气相中经自由基偶联反应生成乙烯和其他高碳芳烃分子,如苯和萘等。当反应温度在1090℃,每克催化剂每小时流过的甲烷为21升时,甲烷的单程转化率达48.1%,产物乙烯、苯和萘的选择性大于99%,其中乙烯的选择性为48.4%。在60小时的寿命评价过程中,催化剂保持了极好的稳定性。与天然气转化的传统路线相比,该研究彻底摒弃了高耗能的合成气制备过程,大大缩短了工艺路线,反应过程本身实现了二氧化碳的零排放,碳原子利用效率达到100%。

  目前,国内外多家能源和化学公司等都对这一产业变革性技术表现出了极大的兴趣,希望能优先合作。

  第三方评价

  中石化原高级副总裁曹湘洪院士:这是天然气利用研究中又一个具有里程碑意义的突破,尽管该研究的产业化还有不少工程技术难题要解决,然而,一旦取得成功,将会对我国乃至世界石化工业产生重大影响。

  华东师范大学何鸣元院士:该技术符合理想的高选择性转化,实现了原子经济反应,而且催化剂稳定,可较长周期运行,无碳排放,在纳米限域催化领域的研究极具创新性和引领作用。从碳纳米管限域到硅化物晶格限域,对限域催化而言具有极大的创新意义。

  德国巴斯夫集团副总裁穆勒:

  这是一项即将改变世界的新技术,未来的推广应用将为天然气、页岩气的高效利用开辟一条全新的途径。

  加州大学伯克利分校Alexis Bell教授:该成果使甲烷直接转化研究又向前迈出崭新的一步,可能成为未来产业界关注的焦点。

  以下是该媒体报道地址:http://www.ccin.com.cn/ccin/news/2014/05/15/295157.shtml

版权所有 © 中国科学院大连化学物理研究所 本站内容如涉及知识产权问题请联系我们 备案号:辽ICP备05000861号 辽公网安备21020402000367号