「甲烷室溫催化」研究進展科普解讀—新聞—科學網

2020-12-05 科學網

 

近日，中科院大連化學物理研究所的科學家，通過研究，在石墨烯材料的幫助下，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。

1. 石油化工

要理解什麼是甲烷室溫催化，還要從石油化工講起。

石油化工和我們日常生活息息相關，例如交通工具用到的汽油，包裝用的塑膠袋，以及製作衣服的各種化纖材料等等，都屬於石油化工這個範疇。石油化工是關係著能源的主要供應者，也是材料工業的支柱之一。

石油化工主要指以石油和天然氣為原料，生產石油產品和石油化工產品的加工工業。生產石油產品就是煉油，主要包括各種燃料油（汽油、煤油、柴油等）、潤滑油，及液化石油氣、瀝青等。

生產石油化工產品主要分兩部分：首先是對原料油和氣進行裂解，生成以乙烯等為代表的基本化工原料， PX（二甲苯）項目就屬於這一類。然後用這些基本化工原料，又可以繼續生產更多化工原料和合成高分子材料，包括塑料、合成纖維、合成橡膠等。比如用乙烯作原料生產的聚乙烯，就是我們常見的塑料包裝袋的材料。

可以說，我們日常生活中的「衣、食、住、行」樣樣都離不開石化產品。沒有石油化工生產出來的基本化工原料，製藥廠就沒有化學原料來製備藥品，紡織廠也沒有化纖來做衣服，礦泉水公司就沒有塑料瓶來裝水，汽車廠沒有橡膠來製作車胎……

2.從石油到天然氣

作為石油化工原料之一的天然氣，也跟石油一樣，既可以用作能源燃料，也可以用於合成基本化工原料。由於天然氣儲量遠遠超過石油儲量，有可能未來取代石油成為主要能源和化工原料。

天然氣主要成分是甲烷。目前人們通常使用間接轉化法將甲烷轉化，就是先讓水蒸氣和甲烷一起發生化學反應，生成一氧化碳和氫氣的混合氣體，再讓混合氣體發生化學反應合成其他化工原料及油品。這種方法比較複雜、消耗能量大、生產成本高。

甲烷的直接轉化利用，就是省去了水蒸氣和甲烷反應生成混合氣體的環節，直接由甲烷轉化為化工原料。因為少一道工序，甲烷的直接轉化在化工生產中就更有吸引力。然而，由於甲烷的分子結構非常穩定，要讓它發生化學反應直接轉化所需要的能量很高，反應不容易進行。

3. 催化劑及化工使用現狀

有一種方法能夠讓化學反應變得更容易更高效，就是使用催化劑。催化劑又稱觸媒，是能通過提供另一活化能較低的反應途徑而加快化學反應速率，而本身的質量、組成和化學性質在參加化學反應前後保持不變的物質。

催化劑的發現源於一次有趣的偶然事件。1835的一天，瑞典化學家貝採裡烏斯的妻子過生日，他從實驗室回家，客人們紛紛舉杯向他祝賀，他顧不上洗手就接過一杯蜜桃酒一飲而盡。當他自己斟滿第二杯酒乾杯時，卻發現是酸的，還以為是妻子錯把醋當酒給他喝了。

於是他仔細觀察，發現酒杯裡有少量黑色粉末，正是他手上沾的鉑金粉末，鉑金粉末像變魔術一樣把蜜桃酒「變」成了醋酸。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。

4. 甲烷室溫轉化與納米限域催化

研製甲烷室溫轉化的催化劑對科學家來講也是一個巨大的挑戰，被認為是化學領域「聖杯」式的難題。中科院大連化物所的包信和院士，帶領團隊一直致力於甲烷轉化高效催化劑的研究，最近他們終於製備出一種催化劑，能夠直接在室溫條件下完成甲烷的直接轉化。

通常情況下，要調控金屬催化劑的活性，一般會在金屬表面引入表層合金，或者在金屬表面下引入次表層元素來實現，也就是說要麼在催化劑表面那層原子的上面加一層合金原子，要麼在催化劑表面那層原子的下面加一層別的原子。但這一次，科學家沒有用這種傳統方法，而想了一種新的方法，就是使用納米材料。

最開始科學家發現，把金屬催化劑納米顆粒組裝到碳納米管的管腔內，就像我們把一顆玻璃彈珠放到水管內壁一樣，此時納米顆粒的特性會發生變化，它的催化反應性能提高了，科學家將這種現象定義為納米限域催化。

後來，科學家發現不僅僅是碳納米管，石墨烯也存在納米限域催化效果。科學家在金屬表面覆蓋一層石墨烯，就像是把一張紙放到桌子表面一樣，石墨烯和金屬表面形成的限域空間中，這個空間中的電子環境非常獨特，可以使催化反應明顯加快。

在這個方法的指引下，科學家又經過幾年的努力，設計了一系列石墨烯限域過渡金屬催化材料，終於實現在室溫條件下，以雙氧水為氧化劑，可以直接將甲烷催化轉化為甲醇等基本化工原料。

不僅僅是甲烷催化，事實上，納米限域催化的研究為整個化工領域的催化劑研製提供了很好的創新思路和方法。在這個方法的幫助下，科學家已經為好幾種化工反應找到了更高效的催化劑，並且其中一些成果已經成功實現工業生產。

如在對煤的催化轉化中，科學家發明了「OX-ZEO」方法，使用新型催化劑，煤的催化轉化過程不再需要水的參與，只需要一步就能完成。比傳統的轉化工藝能耗低，工藝簡化。這項技術在2019年9月已經在工廠中實驗成功，未來在工業上將具有巨大的競爭力。

催化劑對於化工生產的重要性不言而喻，對於催化劑的研究和改進，將是一條漫長又艱難的探索之路，值得慶幸的是，我們已經邁開了成功的第一步。

參考資料：

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30218-9

https://www.pnas.org/content/111/48/17023

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201901996

http://www.cas.cn/cm/201808/t20180828_4661832.shtml

http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/2019/6/20196413381577750456.shtm

http://www.cas.cn/syky/201909/t20190923_4715767.shtml

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9F%B3%E6%B2%B9%E5%8C%96%E5%AD%A6

 

特別聲明：本文轉載僅僅是出於傳播信息的需要，並不意味著代表本網站觀點或證實其內容的真實性；如其他媒體、網站或個人從本網站轉載使用，須保留本網站註明的「來源」，並自負版權等法律責任；作者如果不希望被轉載或者聯繫轉載稿費等事宜，請與我們接洽。

相關焦點

  • 《Chem》 :鄧德會、包信和團隊實現甲烷室溫直接催化轉化
    來源 | 大連化物所 編輯 | 化學加　　導讀　　近日，中科院大連化物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的研究團隊在長期深入研究二維催化材料和納米限域催化的基礎上
  • 我研究人員實現甲烷在室溫條件下直接催化轉化
    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。
  • 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。」
  • 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。
  • 新方法實現甲烷低溫高效直接制甲酸—新聞—科學網
    甲烷（CH4）是一種重要的化石能源，廣泛存在於天然氣、頁巖氣、可燃冰等礦產資源中。
  • 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。
  • 科學家發文探討碳一分子溫和條件下催化轉化—新聞—科學網
    甲烷、一氧化碳、甲醇等碳一分子的催化轉化在碳基能源中發揮著重要作用。
  • 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
  • 室溫超導成功了!—新聞—科學網
    圖片來源：ADAM FENSTER 近日，研究人員完成了幾十年的探索，創造了第一個不需要冷卻就能消除電阻的超導體。但這種新型室溫超導體只能在相當於地球中心壓力3/4的壓力下工作。換句話說，如果研究人員能夠將這種材料穩定在環境壓力下，超導應用的夢想就有望實現，比如用於核磁共振機器和磁懸浮列車的低損耗電線和不需要冷卻的超強超導磁體。
  • 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。
  • 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。
  • 可調控室溫磷光材料研究獲突破—新聞—科學網
    近日，華東理工大學費林加諾貝爾獎科學家聯合研究中心教授馬驤團隊基於前期純有機室溫磷光材料研究基礎
  • 全球甲烷排放達歷史最高點—新聞—科學網
    一份最新研究顯示，全球大氣中的甲烷平均濃度比工業前高出2.5倍，達到有記錄以來的最高點。
  • 二氧化鈦表面光催化產氫工作取得新進展—新聞—科學網
    【科學網 劉萬生 通訊員郭慶 徐晨彪報導】7月19日，由中科院大連化學物理研究所楊學明院士帶領的科研團隊在
  • 打開催化過程「黑匣子」顯催化劑的真實活性表面—新聞—科學網
    在沒有原位方法之前，催化過程如同一個「黑匣子」，研究人員只能監測投入了多少原料，得到了多少產物；只能觀察催化劑反應前是什麼狀態，反應後又是什麼狀態。催化劑在反應中是以一種什麼樣的狀態和方式催化了反應從原料變成產物，只能依靠邏輯推理和想像。 多相催化過程中，催化劑表面原子可能會發生遷移重構，不能保持其反應前的狀態。
  • 石墨烯限域催化研究取得新進展—新聞—科學網
    通訊員石瑛 記者劉萬生  12月8日，中科院大連化物所催化基礎國家重點實驗室在石墨烯限域催化及表面催化原位表徵研究取得新進展
  • 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。
  • 光控螢光染料的超分辨成像研究獲新進展—新聞—科學網
    ，在酶激活型光控螢光染料的超分辨成像研究中取得重要進展，研究成果以「光致變色螢光探針策略實現生物標誌物超分辨成像」為題發表於《美國化學會志》。 酶是人體不可或缺的生物大分子，可通過催化底物的化學反應調控細胞的正常功能。而且，酶的催化活性異常與人類重大疾病的發生與發展密切相關（如癌症、細胞衰老等）。 前期研究中，研究團隊通過構建螺吡喃—萘醯亞胺光控螢光染料體系，實現了肝癌細胞的靶向光控螢光成像，進而通過結合人血清白蛋白構建了光控探針/蛋白質複合物，提升了探針的雙螢光發射性能，實現了肝癌細胞的靶向雙螢光循環成像。
  • 光催化甲烷活化制乙烷效率可達多少?
    甲烷活化一直被認為是科研界的「聖杯」，通過熱催化的方法，將甲烷轉化為高附加值化學品及燃料，通常需要高溫來實現（大於800攝氏度）。然而光催化甲烷轉化則可將溫度降至室溫，光催化甲烷偶聯已有二十多年的發展，但是仍然存在乙烷產率低和催化劑量子效率低的問題。