单原子催化甲烷直接转化的研究进展

将甲烷直接转化(DMC)为高附加值化学品(如甲醇等化合物),是实现天然气高效利用的有效途径.因甲烷结构非常稳定,使其在温和条件下(反应温度≤150℃的非强酸介质体系)的高效活化极具挑战性.近年来,单原子催化剂(SACs)因其活性物种的高利用率和高选择性,已引起国内外研究者的广泛关注,并被尝试应用于多种反应.研究表明, SACs在DMC反应中表现出独特的催化性能.本综述中,我们总结了在温和条件下, SACs在DMC反应中的研究进展,重点针对热催化反应过程的催化剂设计和反应路径研究进行了归纳和分析.此外,还对光催化反应过程中涉及的SACs上的DMC反应进行了分析.最后,对温和条件下实现DMC进行了总结和展望.     

镍基中空纤维催化剂实现甲烷高效电催化转化

随着天然气以及页岩气为代表的非常规天然气的大规模开采,甲烷作为化工原料的直接转化利用受到了越来越多的关注.然而,甲烷分子具有极其稳定的正四面体结构,其物理化学性质非常稳定,如具有高达439 kJ/mol的C-H键能、极弱的电子亲和力、相当大的离子化能量和低的极化率,这都使得甲烷分子C-H键的活化相当困难.如何实现甲烷直接高效催化转化被誉为催化领域的'皇冠式'课题.与经甲烷重整制合成气,然后通过F-T合成获取化学品的间接转化法相比,甲烷直接转化无论在物料、能量转换效率还是在设备成本、环境保护等方面都有着非常明显的优势.以甲烷氧化偶联以及非氧化偶联(如无氧芳构化等)为典型代表的甲烷直接转化研究不断取得突破,但其各自都存在一定的局限性.相比于热催化转化路径,电催化转化路径在许多方面存在着十分明显的优势:(1)反应条件温和,甚至在常温常压条件下也能实现甲烷电催化转化反应的发生;(2)可调控程度高,仅需调节关键实验参数如电压和电流等,就能实现对反应过程热力学以及动力学的调控;(3)能够利用可再生电能驱动甲烷转化反应的发生,可将低品阶的电能转化并存储为化学能.本文采用Ni中空纤维作为基底,在其表面构筑NiO活性层,将NiO@Ni中空纤维作为电极,实现了常温常压条件下的甲烷电催化转化.通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等表征手段,确定了中空纤维特有的多孔三维结构、气体传输规律、NiO活性层分布状态等物化性质.通过电化学交流阻抗与循环伏安等测试手段,获得了电荷传递、电化学活性比表面积等电化学性质.恒电压电氧化甲烷研究发现,1%NiO@Ni中空纤维具有最优的催化活性,分别在1.44 V与1.46 V(vs.RHE)电势下获得54%的甲醇法拉第效率和85%的乙醇法拉第效率.     

光催化甲烷转化研究进展

甲烷催化转化为高附加值产物、实现甲烷高效利用,具有重要的研究意义及工业应用价值。长期以来,如何在较温和的条件下将甲烷转化为其它更有价值的有机衍生物,如醇、芳烃、长链烷烃和烯烃等,是催化、化学及化工领域的热点和难点课题之一。光催化反应由光能激发产生光生电子和空穴,参与到甲烷C―H键活化和自由基形成,这为低温甲烷转化提供新的途径,本文主要围绕甲烷氧化和偶联反应,总结了近年来光催化研究进展,并对如何进一步提高光催化性能提出展望。     

镍基中空纤维催化剂实现甲烷高效电催化转化（英文）

随着天然气以及页岩气为代表的非常规天然气的大规模开采,甲烷作为化工原料的直接转化利用受到了越来越多的关注.然而,甲烷分子具有极其稳定的正四面体结构,其物理化学性质非常稳定,如具有高达439 kJ/mol的C–H键能、极弱的电子亲和力、相当大的离子化能量和低的极化率,这都使得甲烷分子C–H键的活化相当困难.如何实现甲烷直接高效催化转化被誉为催化领域的"皇冠式"课题.与经甲烷重整制合成气,然后通过F-T合成获取化学品的间接转化法相比,甲烷直接转化无论在物料、能量转换效率还是在设备成本、环境保护等方面都有着非常明显的优势.以甲烷氧化偶联以及非氧化偶联(如无氧芳构化等)为典型代表的甲烷直接转化研究不断取得突破,但其各自都存在一定的局限性.相比于热催化转化路径,电催化转化路径在许多方面存在着十分明显的优势:(1)反应条件温和,甚至在常温常压条件下也能实现甲烷电催化转化反应的发生;(2)可调控程度高,仅需调节关键实验参数如电压和电流等,就能实现对反应过程热力学以及动力学的调控;(3)能够利用可再生电能驱动甲烷转化反应的发生,可将低品阶的电能转化并存储为化学能.本文采用Ni中空纤维作为基底,在其表面构筑NiO活性层,将NiO@Ni中空纤维作为电极,实现了常温常压条件下的甲烷电催化转化.通过X射线衍射、扫描电镜、透射电镜等表征手段,确定了中空纤维特有的多孔三维结构、气体传输规律、NiO活性层分布状态等物化性质.通过电化学交流阻抗与循环伏安等测试手段,获得了电荷传递、电化学活性比表面积等电化学性质.恒电压电氧化甲烷研究发现, 1%NiO@Ni中空纤维具有最优的催化活性,分别在1.44V与1.46 V (vs.RHE)电势下获得54%的甲醇法拉第效率和85%的乙醇法拉第效率.     

甲烷无氧芳构化催化剂的活性相生成研究

利用在线质谱分析检测了在各种催化剂上甲烷的程序升温表面反应(TPSR)过程中不同物种的行为.结果表明,MoO₃向Mo₂C的转变阻碍了甲烷的活化及其芳构化.如果这个转变过程在TPSR反应前发生,甲烷活化和苯生成的温度将大大降低(分别为760K和847K).通过比较担载在不同分子筛上钼物种的催化行为发现,甲烷的初始活化是这个反应速率的决定步骤.只有具备合适的钼价态,Bro-nsted酸性以及特殊的分子筛孔道结构的催化剂才能使甲烷芳构化反应高效进行.     

甲烷在6%Zn/HZSM-5催化剂上的低温转化 Catalytic Conversion of Methane at Low Temperature over 6%Zn/HZSM-5 Zeolite

 采用丙烷和甲烷混合物作为共反应物进行无氧芳构化反应. 在600 ℃,3000 h-1和甲烷/丙烷摩尔比为0.6的条件下,甲烷可以在6%Zn/HZSM-5分子筛催化剂上被有效地活化,甲烷的转化率可达32.4%,丙烷的转化率为89.5%,反应的主要产物为芳烃,其选择性达到89.7%. 甲烷与丙烷的摩尔比对芳烃产物的选择性有影响. 在没有丙烷参与时该催化剂在600 ℃下对甲烷转化没有活性. 推测是丙烷脱氢或裂解过程的中间产物活化了甲烷. 低碳烷烃对甲烷的活化可能是实现甲烷低温转化的一条有效途径.     

Sc(OTf)_3催化的δ-三氟甲基-δ-芳基-双取代对亚甲基苯醌和硫醇的反应:高效合成二芳基甲烷硫醚化合物（英文）

报道了一种δ-三氟甲基-δ-芳基-二取代的对亚甲基苯醌和硫醇参与的1,6-共轭加成反应.在5mol%三氟甲基磺酸钪催化的条件下,得到了结构多样化的含有三氟甲基四级碳中心的二芳基甲烷硫醚.反应具有良好的官能团兼容性和底物范围.此外,烷基硫醇和苄硫醇也适用于该反应.鉴于二芳基甲烷硫醚骨架以及三氟甲基在生物活性分子中的重要性,发展的含有三氟甲基取代四级碳中心的二芳基甲烷硫醚的高效合成方法将为生物活性分子的发现提供一条简洁、高效的策略.     

铜纳米颗粒催化的炔、二卤甲烷、胺三组分偶联反应研究

以铜纳米颗粒作为催化剂,Cs2CO3为碱,二卤甲烷为底物和溶剂,发展了一个高效的催化炔、二卤甲烷、胺三组分偶联反应(AHA偶联反应)生成炔丙胺的反应体系.与文献相比,该催化体系具有催化剂廉价易得、反应条件相对温和、底物适应性优良、使用单一溶剂体系后处理方便的特点.同时,以铜纳米颗粒为催化剂,易于实现催化剂的有效循环利用,经5次反应催化活性未见明显下降.     

液态金属催化裂解甲烷制氢动力学研究

液态金属催化甲烷热解是一种高效生产氢气且无二氧化碳排放的新兴技术.本文开发了一个液态金属裂解反应器催化甲烷热解的数值模型,在实验室自主搭建的液态金属制氢平台上得到的实验数据与模型预测结果吻合良好.该模型是基于甲烷在气液界面发生的催化热解、气泡内部发生的非催化热解过程和气泡上升过程中的流动行为,耦合了催化和非催化反应动力学和流体力学所建立的.使用气体体积流速、压力、气体成分、温度和液态金属性质(密度、黏度和表面张力)预测气泡尺寸和熔体中的气含率.该模型较好地预测了液态铜铋合金(Cu_0.45Bi_0.55)催化甲烷热解实验中不同温度、不同甲烷进气流量和液态金属高度下的甲烷转化率,得到了催化甲烷热解过程中的气含率、表观气体速率和压力沿液态金属高度的分布.实验数据与模型预测结果的高度吻合证明了模型的可靠性,该模型未来将有助于反应器优化和氢产率提高.     

费托合成钴基催化剂的研究进展

 费托合成油技术是煤炭、天然气等含碳资源清洁优化利用的重要途径, 其关键问题之一是催化剂选择性的调控, 即抑制甲烷生成和提高馏分油含量. 近 10 年来, 中国科学院山西煤炭化学研究所系统地开展了钴基费托合成催化剂及制备放大的工程基础研究, 包括钴分散度、还原度与甲烷生成之间的关系, 载体表面疏水性对催化剂性能的影响, 以及采用孔道限域等手段初步实现了产物的选择性调控. 同时, 初步阐明了甲烷生成的结构基础, 并指明了新型馏分油催化剂研发方向. 在此基础上, 研制了新型钴基催化剂, 其具有低甲烷选择性、高重质烃选择性和良好稳定性的特点. 目前, 对 I 型催化剂完成了实验室稳定性验证并实现了工业示范; 对 II 型催化剂 (甲烷选择性约 2%~3%) 完成了稳定性验证.