我国甲烷高效转化研究取得重要突破

近日，中国科学院大连化学物理研究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，一步高效生产乙烯、芳烃和氢气等高值化学品。

随着世界范围内富含甲烷的页岩气、天然气水合物、生物沼气等的大规模发现与开采，以储量相对丰富和价格低廉的天然气替代石油生产液体燃料和基础化学品成为了学术界和产业界的研究重点。甲烷分子具有四面体对称性，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实现天然气直接转化利用的重要环节，被公认为催化乃至化学领域的世界性难题。在20多年甲烷催化转化研究的基础上，中国科学院大连化学物理研究所包信和院士团队成功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，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。当反应温度为1090℃，每克催化剂每小时流过的甲烷为21升时，甲烷的单程转化率高达48.1%，生成产物乙烯、苯和萘的选择性高于99%，其中生产乙烯的选择性为48.4%。催化剂在测试的60小时内，保持了极好的稳定性。

与天然气转化的传统方法相比，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%。