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重大突破:我国科学家首次实现甲烷在温和条件下高选择性氧化制甲醇

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  随着水力压裂技术的进步,天然气田的丰富蕴藏量正逐渐展露眼前。天然气的主要成分是甲烷。目前,大部分产生的甲烷被燃烧用于加热,运输和发电目的。同时,甲烷是人类活动释放的第二大温室气体,对全球变暖的危害性比二氧化碳还要高25倍。因此,提纯甲烷、发展甲烷转化技术,是高效清洁地利用甲烷的重要前提。

  目前工业途径是通过蒸汽或干重整,以产生合成气(CO和H的混合物),随后费-托合成或合成甲醇的。通过高于700℃的高温制造蒸汽不仅需要巨大的能量输入,且焦化会导致催化剂失活。另外一种方法是在温和条件下,使用介质将甲烷直接转化成化学品或液体燃料。但这些方法通常涉及腐蚀性氧化剂或昂贵的介质,如H2ö2,发烟硫酸,三氟乙酸和氢溴酸,同样不适合于商业化。

  为了解决甲烷的清洁利用问题,中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家研究中心和中国科技大学化学物理系的联合团队利用水作为催化剂,借助光照的温和加热,与单原子金反应,成功将甲烷温和氧化为甲醇。

  光催化提供一种有效的方法,以驱动在温和条件下在热力学非自发反应。研究人员采用黑磷Au1 / BP)纳米片以吸收宽带太阳能,提供反应当中的光催化条件。

  当满足在90°C的光照射下(1.2 W),放置在33 bar混合气体(CH4:O2=10:1)加压的水中,Au1 / BP纳米片的质量活性为113.5μmolg催化剂-1 = 10:1)这三个条件时,甲烷氧化过程中,甲醇的选择性高达> 99%。

  机理研究表明,水有助于O2的活化,在光照射下产生活性羟基和•OH自由基。羟基与甲烷在Au单原子处反应形成水和CH3物种,然后通过•OH自由基将CH3氧化为甲醇。考虑到整个过程中水的循环利用,我们也可以将水视为催化剂。

  该研究对于高效清洁利用甲烷提供了新的可能性,为保障我国能源安全,解决化工业对石油资源的高度依赖具有重大意义。

  https://doi.org/10.1038/s41467-021-21482-z

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