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光催化首次實(shí)現(xiàn)氧氣氧化甲烷制含氧化合物

作者:宋檢 時(shí)間:2022-12-13 來源:互聯(lián)網(wǎng)

近日,華北理工大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院孟憲光教授科研團(tuán)隊(duì)和日本國(guó)家材料研究所葉金花主任研究員合作,利用光催化技術(shù)首次實(shí)現(xiàn)室溫氧氣直接氧化甲烷,以高選擇性轉(zhuǎn)化為甲醇和甲醛等高值含氧化合物。相關(guān)研究成果以《利用負(fù)載型氧化鋅實(shí)現(xiàn)室溫下光催化氧氣直接氧化甲烷選擇性合成含氧化合物》為題在《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》發(fā)表。

天然氣(主要成分甲烷)作為清潔的化石能源,在世界上儲(chǔ)量巨大,2018年統(tǒng)計(jì)天然氣的儲(chǔ)量超過200萬億立方米,以甲烷作為原料來制備高值化學(xué)品具有很大吸引力。工業(yè)上,甲烷制甲醇的過程需采用間接法:**甲烷通過水蒸汽重整反應(yīng)生成合成氣,之后合成氣在高壓下合成甲醇。其中,甲烷水蒸汽重整反應(yīng)需要在高溫下進(jìn)行而消耗大量的能量。通過直接一步氧化甲烷制甲醇可以避免高能耗的重整過程,在催化界被認(rèn)為是“圣杯反應(yīng)”?,F(xiàn)有直接氧化甲烷制甲醇的轉(zhuǎn)化過程仍需要苛刻的反應(yīng)條件,如高溫、使用腐蝕性或昂貴的氧化劑以及復(fù)雜的反應(yīng)體系等障礙。無論從經(jīng)濟(jì)還是環(huán)境效益的角度看,氧氣是*理想可行的氧化劑。然而,利用氧氣在室溫下實(shí)現(xiàn)直接氧化甲烷制甲醇反應(yīng)體系的設(shè)計(jì)仍然面臨著巨大的挑戰(zhàn)。

華北理工大學(xué)和日本科研團(tuán)隊(duì)利用氧化鋅負(fù)載的納米金屬作為光催化劑,僅用氧氣作為氧化劑,在室溫和加壓條件下即可將水中的甲烷以高選擇性轉(zhuǎn)化為甲醇和甲醛。解決這一難題的關(guān)鍵在于光催化劑具有很強(qiáng)的氧化和還原能力,在光照下它可以在水溶液中同時(shí)活化甲烷的碳?xì)滏I以及可控地活化氧氣,從而生成制取含氧化合物所需的關(guān)鍵反應(yīng)中間物種,這些中間物種通過進(jìn)一步的自由基反應(yīng)生成甲醇和甲醛。

該研究成果在甲烷資源化利用方面邁出了一大步,同時(shí)為甲烷的活化和轉(zhuǎn)化提供了理論指導(dǎo),具有重大科學(xué)意義。

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