甲烷直接氧化制甲醇研究进展概述（英文）

目前,天然气转化为高附加值化工产品的应用越来越受到人们关注.甲烷作为天然气的主要成分,其转化和应用是天然气化工领域的重要研究方向.而甲烷直接氧化制甲醇长久以来一直是研究重点.甲烷直接氧化制甲醇与传统的甲烷二步法间接转化相比,有节能和工艺简化的突出特点.然而,甲醇直接氧化制甲醇过程所面临的主要问题有:(1)甲烷分子的活化能很高,需要苛刻的操作条件才能活化参与反应;(2)反应进行的程度难以控制,生成的甲醇会进一步被氧化生成较多副产物,大大降低甲醇收率.因此,高效活化甲烷分子和抑制甲醇深度氧化是促进该过程工业化的重要研究内容.本文主要论述了非均相、气相均相和液相体系中甲烷直接氧化制甲醇的研究进展.在甲烷非均相氧化过程中,采用过渡金属氧化物作为催化剂在高温条件下催化甲烷部分氧化反应,其中,钼系和铁系催化剂的研究最为广泛.研究表明,MoO_3可作为催化剂的主要活性组分,尤以MoO_3/Ga_2O_3催化剂性能最好,得到甲醇收率最高.在铁系催化剂中,Fe-ZSM-5催化反应的甲醇选择性和收率都相对较高;但是每次反应后催化剂都需要重新活化,这种间歇性操作会增加成本,不利于工业化应用.总之,甲烷的非均相氧化过程存在易形成金属聚集体、催化剂选择性低以及甲醇收率低(5%)等问题,需要深入系统地研究解决.然而,与非均相氧化过程相比,操作较为简单的甲烷气相均相氧化作为目前最有工业前景的过程受到越来越多关注.在此过程中,影响反应的主要因素有反应器、反应条件(反应压力、反应温度和反应时间等)以及添加的介质等.反应器的特殊设计需要考虑的方面有反应产物的分离与转移、反应热的移除以有效提高甲烷的转化率,比如膜反应器对物质的分离作用.反应压力对反应过程的影响较为复杂.基于动力学因素,提高反应压力可以较大幅度地增加甲醇收率,同时最佳反应温度降低,但是,当压力高于8.0MPa时,设备成本消耗大幅增加.另外,研究表明,进料中加入NO_x作为添加介质可以提高甲烷转化率和甲醇选择性,同时降低初始反应温度.与前两个氧化体系相比,液相均匀氧化过程能够获得较高的甲烷转化率与甲醇选择性.但是液相体系中强腐蚀性介质的使用增加了设备成本,阻碍了该过程工业化的应用进程.因此,促进液相体系工业化的关键就是开发绿色高效的催化剂.     

含钒杂多酸催化发烟硫酸中甲烷液相部分氧化反应

 以H5PV2Mo10O40 为催化剂,在发烟硫酸中进行了甲烷液相部分氧化,考察了催化剂用量、反应温度、反应时间和发烟硫酸浓度等工艺条件对反应收率的影响. 甲烷在反应中首先转化为硫酸甲酯,硫酸甲酯随后水解为甲醇. 对于甲烷液相部分氧化反应,发烟硫酸中游离的SO3是非常重要的影响因素. 在工艺条件为催化剂用量7.0 mmol, 反应温度473 K, 反应压力3.5 MPa, 反应时间3 h和发烟硫酸中SO3含量50%时,甲烷转化率可达48.5%, 目的产物甲醇收率为41.5%.     

V2O5催化的甲烷液相部分氧化反应

 以不同的过渡金属化合物作为催化剂,在发烟硫酸溶剂中进行了甲烷液相部分氧化反应的研究,考察了催化剂种类、催化剂用量、反应温度、反应时间、发烟硫酸浓度等工艺条件对目的产物收率的影响,同时对反应的催化机理进行了探讨. 甲烷在部分氧化反应中首先转化为硫酸单甲酯,后者进一步水解得到甲醇. 以V2O5作为甲烷液相部分氧化反应的催化剂时甲烷转化率可达54.5%, 目的产物选择性为45.5%, 相应的工艺条件为催化剂用量0.025 mol, 反应温度180 ℃, 发烟硫酸中SO3含量50%, 反应时间2 h. V2O5催化的甲烷液相部分氧化反应遵循亲电取代机理,溶剂发烟硫酸是甲烷转化的关键因素之一.     

甲烷部分氧化制合成气Ni/MgO和Ni-MgO/MgO催化剂的研究

甲烷氧化偶联制乙烷、乙烯以及甲烷选择氧化制甲醇、甲醛等反应 ,因其转化率和收率低 ,故短期内无法实现工业化 .目前 ,工业上应用甲烷蒸汽转化制合成气 ,进而合成氨等化工产品 .甲烷蒸汽转化制的合成气 ,其 H2 /CO≥ 3,不适用于甲醇合成和 F- T合成 .而甲烷部分氧化制的合成气 ,其H2 /CO≤ 2 ,因而最适合用于甲醇合成和 F- T合成 ,故近 1 0年来倍受科学家的关注[1 ,2 ] .在 CH4部分氧化制合成气中 ,钌、铑、钯、铂等贵金属催化剂的活性高、选择性好、稳定性好[1 ] ,但价格昂贵 (负载量以 1 2 %～ 4 0 %为佳 ) ,因而难以实现商品化 .N…     

Li-Nd-Mg氧化物上甲烷氧化偶联

自从1982年Keller首先报导了甲烷氧化偶联制乙烯、乙烷的催化反应以来,引起国内外广泛的重视,若甲烷的转化率C达35%,C_2的选择性S(C_2)达88%,乙烯/乙烷较大时,则甲烷氧化偶联催化过程可以工业化.当前国内外的工作重点是寻求甲烷转化率高,C_2选择性好的催化剂.Li和烯土复合氧化物催化剂引起人们注意,C_2的收率Y(C_2)可达24.6%,本文采用高温灼烧而成的Li-Nd-Mg复合氧化物,Y(C_2)可达31.3%. 实验部分Li-Nd-Mg复合氧化物由高温灼烧而成,实验采用小型固定床石英反应器,反应器的直     

在Li-Nd-Zn-Mg氧化物上甲烷氧化偶联

天然气资源丰富,其中主要成分为甲烷.以甲烷为原料开发化工产品一直引起人们的重视.1982年Keller首先提出甲烷氧化偶联制乙烯、乙烷的催化过程,为开拓廉价乙烯原料路线提供了新的可能途径,从而引起各国催化工作者的重视.近年来,此催化过程的乙烯及乙烷的收率(y_(02))已提高到10—30%之间.各国都在努力开发活性高及选择性好的催化剂,促使此催化过程工业化。本文研究了Li-Nd-Zn-Mg氧化物甲烷氧化偶联催化剂,对反应条件进行了初步考察,乙烯及乙烷的收率y_(02)达到30.8%。     

甲烷直接催化氧化制备甲醇近期研究进展北大核心CSCD

甲烷合成甲醇的方法包括间接法和直接催化氧化(DMTM)法,但是间接法对设备要求高,且甲烷转化率与甲醇选择性均不理想,DMTM法可通过一步反应高选择性制备甲醇,有巨大的应用潜力。对于甲烷DMTM法合成甲醇,均相催化体系通常需要特殊反应介质与贵金属催化剂相结合,虽然反应效率高,但对反应设备有腐蚀性,产物不易分离,应用前景差。液相-异相催化一般使用H_(2)O_(2)作为氧化剂,Au、Pd、Fe和Cu等金属元素作为催化剂主要活性组分,·OH是主要的氧化活性物,可在低温下实现甲烷的活化氧化。因此,异相催化体系是目前研究的主流。气相-异相催化主要使用O_(2)和N_(2)O为氧化剂,前者氧化性更强,后者对于产品选择性更好,此外,厌氧体系中H_(2)O也可直接作为氧供体,常用Cu、Fe、Rh等元素作为催化剂。沸石分子筛是使用最广泛的载体,金属氧化物、金属有机骨架化合物(MOFs)和石墨烯也均有涉及,多金属协同催化已经取得了很好的效果。本文主要总结与概述了热催化甲烷直接催化氧化制备甲醇的近年相关研究,并对今后的研究方向做出了展望。     

流化床反应器中Ni/γ-Al2O3催化剂上甲烷部分氧化制合成气

催化甲烷部分氧化(POM)制合成气已成为替代水蒸气重整最有希望的工艺过程之一[1]. 该过程是个温和的放热反应,反应速度非常快,在高空速下可实现高甲烷转化,并且制得的合成气V(H2)/V(CO)=2, 可直接用于合成甲醇及F-T合成烃类、合成二甲醚等后续工业过程. 到目前为止,大部分POM的研究工作在固定床反应器中进行[2～4]. 由于反应速度极快,导致催化剂表面存在热点[2,5], 不仅影响实验的准确性[6,7], 而且工业应用困难. 热点的存在还会导致活性组分Ni的烧结和流失. 在固定床反应器中,催化剂积炭也是导致其活性下降的重要原因[8,9]. Bharadwaj等[10]发现,流化床反应器Rh和Ni催化剂上甲烷转化率高达90%, 反应后催化剂未发现积炭. Santos等[11]曾报道采用流化床催化剂床层几乎可以实现等温分布,而且甲烷转化率接近热力学平衡值, 反应10 h后催化剂表面积炭量仅为0.6%. 本文采用流化床反应器考察了不同反应条件下Ni/γ-Al2O3催化剂上甲烷部分氧化的反应性能,同时对催化剂积炭及稳定性作了初步研究.     

对氯甲苯选择性氧化新催化体系研究

报道了以乙酰丙酮配合物为催化剂, 氧气为氧源, 在乙醛存在下对氯甲苯的液相选择性氧化, 研究了不同中心金属离子、催化剂用量、乙醛用量、氧气压力、反应时间及反应介质对反应的影响. 结果表明, 在金属配合物中三(乙酰丙酮)合钴(III)的催化性能最好, 在其用量为0.764 mmol、乙醛用量为反应物物质的量的10%、氧气压力为2 MPa时, 以乙腈为反应介质, 室温下反应11 h, 反应的转化率和选择性可达15.3%, 87.16%, 对氯苯甲醛收率可达13.34%. 反应也可在无溶剂时进行, 此时反应的转化率、选择性及醛的收率分别为8.14%, 89.08%, 7.25%.     

Ni基催化剂上甲烷与空气或O_2/水蒸气部分氧化制合成气(英文)

在固定床反应器中考察了Ni基催化剂上甲烷氧化与空气或O2/水蒸气部分氧化制合成气的反应。用空气取代纯氧同样能获得高甲烷转化率和产物选择性。水的添加主要发生水气变换反应,同时也能降低催化剂上积炭。在甲烷与纯氧500小时反应的稳定性考察中,甲烷转化率、CO及H2选择性分别保持在90％、95％和95％以上;反应后上层催化剂的Ni含量从新鲜催化剂的7.2％下降到5.2％,在反应后的催化剂上没有发现积炭和相变。     

The Direct Catalytic Oxidation of Methane to Methanol—A Critical Assessment

Despite the large number of disparate approaches for the direct selective partial oxidation of methane, none of them has translated into an industrial process. The oxidation of methane to methanol is a difficult, but intriguing and rewarding, task as it has the potential to eliminate the prevalent natural gas flaring by providing novel routes to its valorization. This Review considers the synthesis of methanol and methanol derivatives from methane by homogeneous and heterogeneous pathways. By establishing the severe limitations related to the direct catalytic synthesis of methanol from methane, we highlight the vastly superior performance of systems which produce methanol derivatives or incorporate specific measures, such as the use of multicomponent catalysts to stabilize methanol. We thereby identify methanol protection as being indispensable for future research on homogeneous and heterogeneous catalysis.     

Recent Progress in Direct Partial Oxidation of Methane to Methanol

The direct conversion of methane to methanol has attracted a great deal of attention for nearly a century since it was first found possible in 1902, and it is still a challenging task. This review article describes recent advancements in the direct partial oxidation of methane to methanol. The history of direct oxidation of methane and the difficulties encountered in the partial oxidation of methane to methanol are briefly summarized. Recently reported developments in gas-phase homogeneous oxidation, heterogeneous catalytic oxidation and liquid phase homogeneous catalytic oxidation of methane axe reviewed.     

Catalytic selective oxidation or oxidative functionalization of methane and ethane to organic oxygenates

Selective oxidation or oxidative functionalization of methane and ethane by both homogeneous and heterogeneous catalysis is presented concerning: (1) selective oxidation of methane and ethane to organic oxygenates by hydrogen peroxide in a water medium in the presence of homogeneous osmium catalysts, (2) selective oxidation of methane to formaldehyde over highly dispersed iron and copper heterogeneous catalysts, (3) selective oxidation of ethane to acetaldehyde and formaldehyde over supported molybdenum cat...     

氧载体的氧物种直接氧化甲烷制合成气

甲烷部分氧化制合成气由于合成气中n(H2)/n(CO)接近2,可直接用于甲醇合成或烃类F-T合成等后续工业过程而在国内外受到了广泛的关注。利用氧载体的氧物种在无气相氧下直接选择氧化甲烷制合成气是天然气化工利用的新方法,本文介绍了该方法的基本原理、概念工艺和对氧载体的性能要求,对应用于该方法的铈基复合氧化物的掺杂和助剂对选择氧化甲烷性能的影响、钙钛矿氧化物氧载体的氧缺陷、氧物种迁移、结构稳定性及其氧物种氧化甲烷的性能进行了阐述和分析,提出了控制氧载体表面状态是获得高合成气选择性的关键,并对该技术今后的研究重点进行了展望。     

Biosynthesis of methanol from methane by <Emphasis Type="Italic">Methylosinus trichosporium</Emphasis> OB3b

Methanol has recently attracted significant interest in the energetic field. Current technology for the conversion of methane to methanol is based on energy intensive endothermic steam reforming followed by catalytic conversion into methanol. The one-step method performed at very low temperatures (35°C) is methane oxidation to methanol via bacteria. The aim of this work was to examine the role of copper in the one-step methane oxidation to methanol by utilizing whole cells of Methylosinus trichosporium OB3b bacteria. From the results obtained it was found that copper concentration in the medium influences the rate of bacterial biomass growth or methanol production during the process of methane oxidation to methanol. The presented results indicate that the process of methane oxidation to methanol by Methylosinus trichosporium OB3b bacteria is most efficient when the mineral medium contains 1.0 × 10⁻⁶ mol dm⁻³ of copper. Under these conditions, a satisfactory growth of biomass was also achieved. Presented at the 35th International Conference of the Slovak Society of Chemical Engineering, Tatranské Matliare, 26–30 May 2008.     

The role of pressure in partial oxidation of methane

Analysis of experimental data and results of kinetic simulation throw light on the reasons for which the pressure exerts influence on the partial oxidation of methane to methanol. Among the most important factors are a crucial transition of the reaction to the steady-state chain-branched regime, an increase in the role of nonlinear gas-phase reactions, and a change in the relative contribution of heterogeneous transformations to the overall process.     

Catalytic and Mechanistic Insights of the Low‐Temperature Selective Oxidation of Methane over Cu‐Promoted Fe‐ZSM‐5

The partial oxidation of methane to methanol presents one of the most challenging targets in catalysis. Although this is the focus of much research, until recently, approaches had proceeded at low catalytic rates (<10 h^?1), not resulted in a closed catalytic cycle, or were unable to produce methanol with a reasonable selectivity. Recent research has demonstrated, however, that a system composed of an iron‐ and copper‐containing zeolite is able to catalytically convert methane to methanol with turnover frequencies (TOFs) of over 14 000 h^?1 by using H₂O₂ as terminal oxidant. However, the precise roles of the catalyst and the full mechanistic cycle remain unclear. We hereby report a systematic study of the kinetic parameters and mechanistic features of the process, and present a reaction network consisting of the activation of methane, the formation of an activated hydroperoxy species, and the by‐production of hydroxyl radicals. The catalytic system in question results in a low‐energy methane activation route, and allows selective C₁‐oxidation to proceed under intrinsically mild reaction conditions.     

分子围栏催化剂用于甲烷低温氧化制甲醇

《Science》杂志最近刊发了浙江大学肖丰收团队关于甲烷低温选择性氧化研究的重要进展. 基于分子围栏的概念, 作者构筑了一种具有疏水壳层结构的沸石分子筛封装金属纳米粒子, 利用原位生成的过氧化氢氧化甲烷制备甲醇. 他们报道在甲烷的转化率高达17.3%的同时保持了92%的甲醇选择性, 基于金属含量的甲醇产率高达91.6 mmol· {{\mathrm{g}}_{\mathrm{AuPd}}}^{-1} ·h ^-1.     

Isothermal Cyclic Conversion of Methane into Methanol over Copper‐Exchanged Zeolite at Low Temperature

Direct partial oxidation of methane into methanol is a cornerstone of catalysis. The stepped conversion of methane into methanol currently involves activation at high temperature and reaction with methane at decreased temperature, which limits applicability of the technique. The first implementation of copper‐containing zeolites in the production of methanol directly from methane is reported, using molecular oxygen under isothermal conditions at 200 °C. Copper‐exchanged zeolite is activated with oxygen, reacts with methane, and is subsequently extracted with steam in a repeated cyclic process. Methanol yield increases with methane pressure, enabling reactivity with less reactive oxidized copper species. It is possible to produce methanol over catalysts that were inactive in prior state of the art systems. Characterization of the activated catalyst at low temperature revealed that the active sites are small clusters of copper, and not necessarily di‐ or tricopper sites, indicating that catalysts can be designed with greater flexibility than formerly proposed.