我研究人員實現甲烷在室溫條件下直接催化轉化

2020-12-05 人民網

甲烷作為天然氣、頁巖氣、可燃冰的主要成分，擁有最穩定的烷烴分子結構，具有高度的四面體對稱性，極難在溫和的條件下對其活化。因此，甲烷的選擇活化和定向轉化一直是世界性的難題，被稱為化學領域「聖杯」式的研究課題。

日前，我研究人員經過長期研究，在二維催化材料和納米限域催化的基礎上，發現石墨烯限域的單原子鐵中心可以在25℃的條件下，直接將甲烷催化轉化為高附加值的C1含氧化合物。據悉，該項工作由中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室鄧德會研究員和包信和院士帶領團隊共同完成，相關成果全文發表於Cell Press旗下的《化學》Chem期刊上。該成果發表後受到了國內外的廣泛關注，被業內認為是甲烷化學領域的重要突破。

中科院大連化物所鄧德會研究員介紹，甲烷轉化往往需要在600℃—1100℃的高溫下進行反應，而降低反應溫度會對甲烷的基礎研究和工業應用具有重要意義。他們在前期研究二維催化材料溫和條件下活化C-H鍵的基礎上，經過長達6年的努力，設計出一系列石墨烯限域的3d過渡金屬中心（錳，鐵，鈷，鎳，銅）催化材料。

大量試驗表明，石墨烯限域的單鐵中心在室溫條件下，以雙氧水為氧化劑，完全不需要額外引入其他任何形式的能量，可直接將甲烷催化轉化為C1含氧化合物。此後，他們又藉助高分辨液體核磁共振波譜和自行研製的飛行時間質譜原位表徵等手段，揭示出甲烷催化反應的過程和本質，該工作不僅為溫和條件下甲烷轉化高效催化劑的設計提供了新思路，也推動了甲烷催化轉化領域的創新發展。（記者郝曉明）

(責編：姜淑敏(實習生)、熊旭)

推薦閱讀

我國率先實現基於星光隨機數的貝爾不等式檢驗記者從中國科學技術大學獲悉，該校潘建偉教授及其同事等與中外科研單位合作，利用遙遠星體產生隨機數，實現同時關閉探測效率漏洞和定域性漏洞的貝爾不等式檢驗，向無漏洞的量子非定域性檢驗邁出重要一步。該成果日前以編輯推薦的形式在線發表於物理學學術期刊《物理評論快報》上。【詳細】

中國水稻研究所北方水稻研究中心成立中國水稻研究所北方水稻研究中心28日在號稱「一個寶清縣、半個北大荒」的三江平原核心區成立。為何選擇黑龍江省寶清縣建立這一國家級研究中心？中國農科院院長唐華俊院士解釋，黑龍江是全國最大的粳稻種植區，也是我國緯度最高的稻作區域，2016年水稻種植面積和總產分別達到4805萬畝、2255萬噸，分別佔全國的10.6％和10.9％，是真正的「十分稻田有其一」。【詳細】

相關焦點

  • 大連化物所發表甲烷溫和條件下直接催化轉化研究綜述
    近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室研究員鄧德會和中科院院士包信和團隊在Chem上發表綜述文章，系統總結並展望了熱催化、電催化、光催化技術在甲烷溫和條件下直接轉化方面的研究進展。
  • 《Chem》 :鄧德會、包信和團隊實現甲烷室溫直接催化轉化
    ，發現石墨烯限域的單原子鐵中心可以在室溫條件下（25°C）直接將甲烷催化轉化為高附加值的C1含氧化合物。然而，甲烷是最穩定的烷烴分子，具有高度的四面體對稱性，其電離能高、不具有電子親和性、沒有永久電偶極矩且極化率低，其C-H鍵的鍵能高達434 KJ/mol，極難在溫和條件下活化。因此，甲烷的選擇活化和定向轉化一直是世界性的難題，被譽為化學領域「聖杯」式的研究課題。
  • 甲烷溫和條件下直接催化轉化研究綜述
    ，系統總結並展望了熱催化、電催化、光催化技術在甲烷溫和條件下直接轉化方面的研究進展。   甲烷是天然氣、頁巖氣、可燃冰等的主要成分，是一種豐富的自然資源，它不僅被大量用作燃料供給，也是眾多工業化學品的源頭原料。因此，甲烷的催化轉化在工業和學術界引起了廣泛的研究興趣。然而，甲烷分子的高度穩定性，以及高的C-H鍵能使其在溫和條件下的活化或轉化極具挑戰，甲烷的選擇活化和定向轉化也因此被認為是催化化學領域中的聖杯式課題。
  • 我國科學家找到室溫條件下轉化甲烷新途徑
    甲烷，有機化學中最難被轉化的「頑固分子」。近日，上海科技大學物質科學與技術學院左智偉團隊破解了這一難題，他們找到了一個低成本、高效率的催化劑組合，室溫條件下，就可實現甲烷轉化。這為甲烷轉化為火箭推進劑燃料等高附加值化工產品提供了新方案，為我國高效利用特有稀土金屬資源提供了新思路。相關研究成果日前發表在國際學術期刊《科學》上。
  • 科研人員實現甲烷低溫高效直接催化轉化制甲酸
    近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料與能源小分子轉化創新特區研究組研究員鄧德會和副研究員於良團隊在甲烷低溫轉化制含氧化合物研究中取得進展，發現ZSM-5孔道晶格限域的配位不飽和Fe位點可在溫和條件下直接催化甲烷高效定向轉化制甲酸。
  • 「甲烷室溫催化」研究進展科普解讀—新聞—科學網
    ，在室溫條件下（25℃）直接將天然氣的主要成分甲烷催化並且轉化為其他化合物，實現了化學領域「聖杯」式難題的重大突破，邁出了甲烷室溫催化的第一步。他非常興奮，後來研究發現，是鉑金粉末加快了乙醇（酒精）和空氣中的氧氣發生化學反應，生成了醋酸。鉑金粉末就是人類發現的第一種催化劑。 目前甲烷的直接轉化所選用的催化劑是傳統的過渡金屬，如鐵、鐵鈷等、，但反應仍然需要在600~1100℃這樣高的溫度下才能夠進行。如果有一種催化劑，能夠降低甲烷直接轉化的反應溫度，將節省大量的能耗，對基礎研究和工業應用具有重要意義。
  • 甲烷室溫一步轉化液態產品成真
    ，解決了利用光能在室溫下把甲烷一步轉化為液態產品的科學難題，為甲烷轉化成高附加值的化工產品提供了嶄新的解決方案。　　中國科學院院士、上海科技大學副校長丁奎嶺這樣評價這項研究成果：「由於甲烷分子碳氫鍵的高度穩定性和弱極性，它的轉化極具挑戰性，通常需要高溫高壓等苛刻的反應條件，因此如何在溫和條件下實現甲烷分子碳氫鍵的官能團化，被認為是化學中的『聖杯』。左智偉科研團隊通過精妙的催化反應設計，利用光的促進作用，在室溫下實現了甲烷分子的轉化，為甲烷的資源化和高值化利用開闢了一條新途徑。」
  • 研究人員在溫和條件下高效率地將甲烷轉化為甲酸
    甲烷是生產高附加值化學品的前景廣闊的物質。甲烷在溫和條件下轉化為增值化學品或燃料已成為能源和催化領域最熱門的課題之一。然而，由於甲烷分子的高對稱性和低極化性，使得在溫和條件下活化甲烷具有挑戰性。此外，目標產物通常比甲烷反應性更強，容易過度氧化成溫室氣體CO2。
  • 科學網—神奇細菌可在室溫下將甲烷轉換為甲醇
    —甲醇轉換的酶物質在一個包含僅1個銅離子的位置發生催化反應。 甲烷氧化菌能夠從環境中清除甲烷，並將其轉化為可用燃料，這種細菌究竟是如何自然地進行這樣的複雜的反應是一個未解謎團。日前，美國西北大學一支跨學科研究小組發現，負責甲烷—甲醇轉換的酶物質在一個包含僅1個銅離子的位置發生催化反應。相關研究成果發表在《科學》上。 這項最新發現將引導科學家設計新型人造催化劑，它能將甲烷轉化為易於使用的甲醇，其機理與甲烷氧化菌相同。
  • 光催化首次實現氧氣氧化甲烷制含氧化合物—新聞—科學網
    近日，華北理工大學材料科學與工程學院孟憲光教授科研團隊和日本國家材料研究所葉金花主任研究員合作，利用光催化技術首次實現室溫氧氣直接氧化甲烷，以高選擇性轉化為甲醇和甲醛等高值含氧化合物
  • 甲烷綠色轉化新方案面世
    本報上海7月30日電（記者姜泓冰）上海科技大學左智偉科研團隊在光促進甲烷轉化這一重要能源化工領域取得突破性進展：他們成功發展了一種廉價、高效的鈰基催化劑和醇催化劑的協同催化體系，解決了利用光能在室溫下把甲烷一步轉化為液態產品的科學難題，為甲烷轉化成高附加值的化工產品（例如火箭推進劑燃料
  • 【動態】大連化物所發表碳一分子溫和條件下催化轉化綜述文章
    大連化物所催化基礎國家重點實驗室二維材料與能源小分子轉化創新特區研究組（05T6組）鄧德會研究員團隊在溫和條件下碳一分子催化轉化方面的研究工作受到國內外同行的廣泛關注
  • 新方法實現甲烷低溫高效直接制甲酸—新聞—科學網
    溫和條件下實現CH4直接轉化製備高附加值化學品或燃料是能源催化領域的熱點課題之一。 近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員鄧德會和副研究員於良團隊在CH4低溫轉化制含氧化合物研究中取得新進展。研究發現，分子篩催化劑ZSM—5孔道晶格限域的配位不飽和鐵（Fe）位點可在溫和條件下直接催化CH4高效定向轉化制甲酸。相關研究成果發表於《納米能源》上。
  • 甲烷細菌轉化之謎破解,甲烷轉化將有質的飛躍
    甲烷分子示意圖甲烷細菌是著名的「甲烷清道夫」，它們可以利用甲烷-甲醇轉化反應，輕鬆地將甲烷轉化為可用燃料。長期以來，甲烷細菌的轉化能力一直吸引著研究人員的關注。然而，甲烷細菌究竟是如何輕而易舉地進行複雜的甲烷反應卻一直是一個謎。
  • 廉價稀土有望成為新型甲烷轉化催化劑
    光照一照，氣態甲烷變液態燃料，這可能嗎？近日，上海科技大學對外發布，該物質科學與技術學院左智偉科研團隊開發了一種廉價、高效的鈰基催化劑和醇催化劑的協同催化體系，使得甲烷可以在光的照射下轉化成高附加值的化工產品。該技術有望代替傳統高溫高壓的貴金屬催化體系，為甲烷開發利用提供嶄新和更加經濟、環保的解決方案。
  • 水是甲烷催化轉化為甲醇的關鍵
    美國能源部布魯克海文國家實驗室的科學家揭示了新的細節，這些細節解釋了高選擇性催化劑如何將甲烷（天然氣的主要成分）轉化為甲醇（一種易於運輸的液體燃料和用於製造塑料、油漆等日用品的原料）。這些研究結果可以幫助設計出更高效/選擇性的催化劑，使甲烷轉化成為一種經濟上可行、環境上有吸引力的替代排放或燃燒 "廢氣 "的方法。
  • 實現串聯催化二氧化碳電化學還原制甲烷
    近日，中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室研究員汪國雄與包信和院士團隊在二氧化碳電催化還原研究方面取得新進展。實現了非銅基催化劑上串聯催化二氧化碳電化學還原制甲烷，為二氧化碳電催化還原制碳氫化合物提供了新思路。相關研究成果發表於德國《應用化學》。
  • 我國甲烷高效轉化研究取得重要突破
    近日，中國科學院大連化學物理研究所包信和院士團隊基於「納米限域催化」的新概念，創造性地構建了矽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
  • 我科學家甲烷高效轉化研究獲重大突破-光明日報-光明網
    中國科學院大連化學物理研究所包信和院士團隊日前基於「納米限域催化」的新概念，創造性地構建了矽化物晶格限域的單中心鐵催化劑，成功地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。
  • 深圳先進院等發表低溫甲烷氧化轉化研究進展綜述
    近日，中國科學院深圳先進技術研究院材料所（籌）光子信息與能源材料研究中心馬明副研究員團隊與韓國延世大學Jong Hyeok Park教授團隊合作，在Advanced Science（Advanced Science2020, 2001946; IF:15.84）上發表題為Catalytic Oxidation of Methane to Oxygenated