甲烷直接氧化制甲醇研究进展概述

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, MoO3可作为催化剂的主要活性组分,尤以 MoO3/Ga2O3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8.0 MPa时,设备成本消耗大幅增加.另外,研究表明,进料中加入 NOx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.     

NOx催化的甲烷气相氧化反应

 考察了没有固体催化剂时NOx对甲烷气相氧化的催化作用，并用原位红外光谱研究了CH4－O2－NOx体系随温度的变化．实验结果表明，NOx对甲烷气相氧化有很高的催化活性．在20％CH4－10％O2体系中加入0．05％～0．2％的NO后，反应温度可降低200～300℃，在650～700℃下反应时，CH4转化率和CO选择性可分别达到38％和90％，产物中的n（H2）／n（CO）比为0．4～0．7．反应产物中可观察到有甲醛、甲醇和乙烯等，通过改变反应条件可以控制各组分的相对浓度．     

氧化条件下NOx催化的甲烷均相部分氧化

考察了没有固体催化剂时NOx对甲烷气相氧化的促进作用.实验结果表明，即使在强氧化条件下（O2/CH4=5），NOx对甲烷部分氧化制一氧化碳仍然有明显的催化活性.在CH4-O2体系中加入0.005％～0.2％的NO后，反应温度可降低200-300 ℃.在反应产物中还可观察到甲醛和乙烯，通过改变反应条件可以控制它们的相对浓度.     

温和条件下催化甲烷氧化制甲醇研究进展

甲烷是燃料或化工生产中最丰富的碳基能源之一,将甲烷转化为液体或固体化学原料将成为全球能源供应的转折点.目前,许多催化此类反应的工作已有大量研究和报道.在这些反应中,甲烷选择性氧化制甲醇被认为是天然气就地价值化的一条有前途的途径.这使得甲烷低温选择性氧化制甲醇技术的发展变得非常迫切,本文综述了CH₄的活化和催化转化,指出了针对特定反应的催化剂的发展趋势.讨论了理想条件下甲烷氧化制取甲烷的反应研究以及Au–Pd合金类、ZSM-5类、MOFs类、单原子类等催化剂对甲烷氧化过程的影响及其催化转化机理.最后,对温和条件下催化甲烷氧化制甲醇催化剂未来发展提出了展望和挑战.     

一些无机盐对甲烷的液相选择催化氧化

考察了无机盐Ｃｒ２（ＳＯ４）３，ＣｄＳＯ４，ＦｅＳＯ４，ＶＯＳＯ４，Ｃｅ（ＳＯ４）２，ＭｎＳＯ４，ＳｎＣｌ４和ＨｇＳＯ４在浓硫酸介质中对甲烷的催化活性，发现ＭｎＳＯ４，ＳｎＣｌ４和ＨｇＳＯ４对甲烷氧化有活性，在此基础上考察了ＨｇＳＯ４体系中气液体积比，温度，浓度，反应时间以及硫酸浓度地反应活性的影响，认为反应按亲电取代反应机理进行。     

甲烷直接氧化制甲醇：Ⅱ.催化膜反应器（CMR）

采用溶胶－凝胶（Ｓｏｌ－Ｇｅｌ）法制备了微孔结构均匀的“ＳｉＯ２／陶瓷”膜和“Ｍｏ－Ｃｏ－Ｏ／ＳｉＯ２／陶瓷”催化功能膜，并用ＸＲＤ、ＳＥＭ和孔径测定等技术进行了表征。在常压，５００～７００℃的条件下，在催化膜反应器（ＣＭＲ）中考察了甲烷氧化制甲醇的反应。在相似的反应条件下（转化率为１．０％），用ＣＭＲ（甲醇选择性１?．２％）可获得较固定床反应器（甲醇选择性４．５％）高得多的甲醇选择性。     

甲烷直接氧化制甲醇Ⅱ．催化膜反应器（CMR）

采用溶胶－凝胶（Ｓｏｌ－Ｇｅｌ）法制备了微孔结构均匀的“ＳｉＯ＿２／陶瓷”膜和“Ｍｏ－Ｃｏ－·Ｏ／ＳｉＯ＿２／陶瓷”催化功能膜，并用ＸＲＤ、ＳＥＭ和孔径测定等技术进行了表征。在常压、５００～７００℃的条件下，在催化膜反应器（ＣＭＲ）中考察了甲烷氧化制甲醇的反应。在相似的反应条件下（转化率为１．０％），用ＣＭＲ（甲醇选择性１１．２％）可获得较固定床反应器（甲醇选择性４．５％）高得多的甲醇选择性。     

甲烷直接氧化制甲醇：Ⅲ.反应气吹扫催化膜反应器（RSCMR）

用溶胶－凝胶法制备了“ＳｉＯ２／陶瓷”非对称无机膜，并用该膜制备了反应气吹扫催化膜反应器（ＲＳＣＭＲ０装置。在ＲＳＣＭＲ上考察了甲烷一步催化氧化制甲醇反应。结果表明，在研究的范围内，增加氧气或甲烷的浓度和吹扫气的流速（即总的反应气流量）有利于提高甲醇的收率；甲醇在反应条件下的热不稳定性是影响目标反应选择性的重要原因。ＲＳＣＭＲ较膜反应（ＣＭＲ０系统能更有效地抑制甲醇的热分解，因而可得到较ＣＭＲ更高     

二氧化碳存在下甲烷氧化细菌催化甲烷生物合成甲醇

 在甲烷单加氧酶和脱氢酶系的作用下,甲烷氧化细菌Methylosinus trichosporium IMV 3011可以把甲烷氧化成二氧化碳. 在反应体系中充入一定比例的二氧化碳后,检测到了甲醇的积累. 混合气中CO2,CH4,O2和N2的体积比为2∶1∶1∶1时甲醇的积累量达到最大. 在超滤膜反应器中进行了连续反应,利用反应混合气产生的压力将生成的甲醇从反应体系中分离. 连续反应198 h后甲醇的积累量没有明显下降.     

甲烷光催化氧化制甲醇研究进展

随着经济的发展，人们对能源的需求量日益增加．目前，世界上石油资源储量有限，而天然气是非常丰富的石油化工燃料资源，储量很大．现已探明的世界天然气储量为142．1万亿立方米，其能量相当于9143亿桶原油，远景储量为250～350万亿立方米．天然气资源与液体石油资源相比，其储量     

Recent Advances in Photocatalytic Oxidation of Methane to Methanol

Methane is one of the promising alternatives to non-renewable petroleum resources since it can be transformed into added-value hydrocarbon feedstocks through suitable reactions. The conversion of methane to methanol with a higher chemical value has recently attracted much attention. The selective oxidation of methane to methanol is often considered a “holy grail” reaction in catalysis. However, methanol production through the thermal catalytic process is thermodynamically and economically unfavorable due to its high energy consumption, low catalyst stability, and complex reactor maintenance. Photocatalytic technology offers great potential to carry out unfavorable reactions under mild conditions. Many in-depth studies have been carried out on the photocatalytic conversion of methane to methanol. This review will comprehensively provide recent progress in the photocatalytic oxidation of methane to methanol based on materials and engineering perspectives. Several aspects are considered, such as the type of semiconductor-based photocatalyst (tungsten, titania, zinc, etc.), structure modification of photocatalyst (doping, heterojunction, surface modification, crystal facet re-arrangement, and electron scavenger), factors affecting the reaction process (physiochemical characteristic of photocatalyst, operational condition, and reactor configuration), and briefly proposed reaction mechanism. Analysis of existing challenges and recommendations for the future development of photocatalytic technology for methane to methanol conversion is also highlighted.     

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.     

多相催化剂催化二氧化碳加氢合成甲醇的研究进展

近年来,随着空气中二氧化碳含量的不断升高,二氧化碳的催化转化在科研界和工业界受到了广泛关注.非均相催化的二氧化碳加氢合成甲醇是实现二氧化碳资源化利用的重要手段之一,具有良好的应用前景.本文系统概述了非均相催化二氧化碳加氢合成甲醇反应的近期研究进展,重点介绍了金属催化剂和金属氧化物催化剂,对反应机理进行了阐述,并对该领域仍待解决的问题和发展前景进行了展望.     

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·g_AuPd^-1·h^-1.     

光促甲烷直接转化为甲醇的研究进展

概述了甲烷直接转化为甲醇的光化学和光促表面反应的研究，分析了不同反应体系、不同光源（可见光、紫外光和激光）及不同固体表面材料对甲烷转化率和甲醇选择性的影响，并讨论了“光－表面”对甲烷活化的协同作用。     

甲烷催化氧化制含氧化合物的研究*

本文对甲烷催化氧化制含氧化合物的研究, 从多相催化和液相催化两个方面进行了综述; 对多相催化的研究从催化剂的选择、反应温度、反应压力、氧源、反应添加物、反应器及反应机理等方面进行了总结, 液相氧化的研究则对不同的研究体系进行了详细的综述。     

Advances in the Partial Oxidation of Methane to Synthesis Gas

The conversion and utilization of natural gas is of significant meaning to the national economy,even to the everyday life of people. However, it has not become a popular industrial process as expected due to the technical obstacles. In the past decades, much investigation into the conversion of methane,predominant component of natural gas, has been carried out. Among the possible routes of methane conversion, the partial oxidation of methane to synthesis gas is considered as an effective and economically feasible one. In this article, a brief review of recent studies on the mechanism of the partial oxidation of methane to synthesis gas together with catalyst development is wherein presented.     

Advances in the Partial Oxidation of Methane to Synthesis Gas

The conversion and utilization of natural gas is of significant meaning to the national economy,even to the everyday life of people. However, it has not become a popular industrial process as expected due to the technical obstacles. In the past decades, much investigation into the conversion of methane,predominant component of natural gas, has been carried out. Among the possible routes of methane conversion, the partial oxidation of methane to synthesis gas is considered as an effective and economically feasible one. In this article, a brief review of recent studies on the mechanism of the partial oxidation of methane to synthesis gas together with catalyst development is wherein presented.