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“納米限域催化”成功實現甲烷生產乙烯、芳烴和氫氣

文章出處:責任編輯:作者:人氣:-發表時間:2014-07-23 09:23:00【

  武漢紐瑞德特種氣體有限公司小編笑笑訊,“納米限域催化”成功實現甲烷生產乙烯、芳烴和氫氣。“即將改變世界”的新技術,未來的推廣應用將為天然氣、頁巖氣的高效利用開辟一條全新的途徑!

 

  近日,中國科學院大連化學物理研究所包信和院士團隊基于 “納米限域催化”的新概念,創造性地構建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑,成功實現了甲烷在無氧條件下選擇活化,一步高效生產乙烯、芳烴和氫氣等高值化學品。相關成果發表在5月9日出版的Science雜志上。同時,相關的PCT專利申請已進入美國、俄羅斯、日本、歐洲和中東等國家和地區。

 

 甲烷生產乙炔

 

  隨著世界范圍內富含甲烷的頁巖氣、天然氣水合物、生物沼氣等的大規模發現與開采,以儲量相對豐富和價格低廉的天然氣替代石油生產液體燃料和基礎化學品成為了學術界和產業界研究和發展的重點。迄今為此,天然氣的轉化利用通常采用二步法:首先,在高溫條件下通過混合氧氣、二氧化碳或水蒸汽,將天然氣中的甲烷分子重整為含一定比例的一氧化碳和氫氣分子的合成氣(SynGas);隨后,或采用由德國科學家上世紀20年代發明的費托(F-T合成)方法,在特定的催化劑上將合成氣轉化為高碳的烴類分子(油品和基礎化學品等);或先由合成氣制備甲醇,再經微孔分子篩催化劑脫水,生產烯烴和其他化學品。這類傳統的甲烷轉化路線冗長,投資和消耗高,尤為突出的問題是,由于采用了氧分子作為甲烷活化的助劑或介質,過程中不可避免地形成和排放大量溫室氣體二氧化碳,一方面影響生態環境,另一方面致使總碳的利用率大大降低,通常不會超過一半。因此,人們一直都在努力探索天然氣直接轉化利用的有效方法與過程。眾所周知,具有四面體對稱性的甲烷分子是自然界中最最穩定的有機小分子,它的選擇活化和定向轉化是一個世界性難題,被譽為是催化,乃至化學領域的“圣杯”,長期以來一直是國內外科學家研究的主題?,F有的實驗表明,甲烷分子C-H鍵的有效活化通常都需要采用強氧化劑(如強酸等)或高溫氧原子,甚至要有強烈的外場(如等離子體、微波和激光等)輔助。由于這類方法存在效率低下、化學選擇性差和環境不友好等缺陷,迄今為此,還沒有真正實現工業化生產的實例。

 

  在二十多年甲烷催化轉化研究的基礎上,包信和團隊將具有高催化活性的單中心低價鐵原子通過兩個碳原子和一個硅原子鑲嵌在氧化硅或碳化硅晶格中,形成高溫穩定的催化活性中心;甲烷分子在配位不飽和的單鐵中心上催化活化脫氫,獲得表面吸附態的甲基物種,進一步從催化劑表面脫附形成高活性的甲基自由基,在氣相中經自由基偶聯反應生成乙烯和其它高碳芳烴分子,如苯和萘等。當反應溫度為1090℃,每克催化劑每小時流過的甲烷為21升時,甲烷的單程轉化率高達48.1%,生成產物乙烯、苯和萘的選擇性> 99%,其中生產乙烯的選擇性為48.4%。催化劑在測試的60小時內,保持了極好的穩定性。與天然氣轉化的傳統路線相比,該研究徹底摒棄了高耗能的合成氣制備過程,大大縮短了工藝路線,反應過程本身實現了二氧化碳的零排放,碳原子利用效率達到100%。

 

  德國巴斯夫集團副總裁穆勒對該過程高度評價,認為是一項“即將改變世界”的新技術,未來的推廣應用將為天然氣、頁巖氣的高效利用開辟一條全新的途徑。中石化原高級副總裁曹湘洪院士認為,這是天然氣利用研究中又一個具有里程碑意義的突破,盡管該研究的產業化還有不少工程技術難題要解決,然而,一旦取得成功,將會對我國乃至世界石化工業產生重大影響。

此文關鍵字:甲烷生產乙烯
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