一个合作研究小组开发了一种新的催化剂，通过甲烷的氧化偶联生产乙烯，收率超过30%。这标志着朝着环保和经济可行的方法生产这种重要的石化迈出了重要的一步。来源:SciTechDaily.com
包括来自里海大学的研究人员在内的多所大学的研究小组报告了一项催化突破，该突破可能支持甲烷氧化偶联(OCM)作为一种生态系统经济上可行的、更可持续的生产基本化学原料的方法。
乙烯有时被称为石化工业中最重要的化学品，因为它是大量日常产品的原料。它用于生产防冻液、乙烯基、合成橡胶、泡沫绝缘材料和各种塑料。
目前，乙烯是通过一种叫做蒸汽裂解的能源和资源密集型工艺生产的，在蒸汽存在的情况下，在极端的温度和压力下从原油中生产乙烯，在这个过程中，向大气中排放成吨的二氧化碳。然而，另一种生产乙烯的方法是通过甲烷氧化偶联(OCM)过程。它有可能成为一种比蒸汽裂解更环保的替代品，但直到最近，它产生的乙烯量还没有使该工艺在经济上可行。
Bar Mosevitzky Lis是里海伊大学化学与生物分子工程系的博士后研究员。来源:利哈伊大学
乙烯生产的突破
里海伊大学P.C.罗辛工程与应用科学学院化学与生物分子工程系的博士后研究员Bar Mosevitzky Lis说:“到目前为止，单次催化收率低于30%，这意味着只是让甲烷和氧气通过催化剂，在另一边得到乙烯。”“使用OCM模拟整个工业过程的研究表明，在单次合格率达到30%至35%之前，该技术不会盈利。”
OCM现在离离开实验室进入现实世界又近了一步。北卡罗莱纳州立大学(NCSU)和里海大学(Lehigh University)的研究人员与广州能源转换研究所和华东理工大学的研究人员合作，首次开发出一种OCM催化剂，在乙烯的生产中，OCM催化剂的转化率超过30%。描述他们的突破的论文最近发表在《自然通讯》上。
创新催化剂开发
该合作由NCSU美国铝业工程教授李繁兴领导。他的团队开发了一类核壳li2co3涂层的混合稀土氧化物，作为甲烷氧化偶联的催化剂，使用化学环方案。结果是单次通过率高达30.6%。
该研究的合著者之一Mosevitzky Lis说:“化学循环的想法是，你不是用催化剂将甲烷和氧气一起送入腔室，而是按顺序进行。”“随着时间的推移，你从催化剂中失去氧气，它变得无效。在化学循环中，你从甲烷开始，然后切换到氧气，然后再回到甲烷，氧气不断地氧化催化剂，从而补充其为反应提供氧气的能力。”
Israel Wachs是G. Whitney Snyder化学和生物分子工程教授，也是里海伊大学Operando分子光谱和催化研究实验室的主任。来源:利哈伊大学
催化剂的表征和潜力
Mosevitzky Lis和他在利哈伊的团队，由G. Whitney Snyder化学和生物分子工程教授、Operando分子光谱和催化研究实验室主任Israel Wachs领导，对催化剂进行了表征。
“我们的专长是现场表面表征，”Mosevitzky Lis说，“这意味着我们在反应运行时表征催化剂的表面。我们应用了广泛的物理和化学技术来了解催化剂在表面发生催化反应时所经历的转化，以及这些转化如何使它们成为如此优秀的催化剂。”
他说，催化剂是由碳酸锂覆盖的混合氧化物核心组成的，在化学循环过程中，核心和外壳之间的相互作用是高产量的原因。这一结果意味着，首次将天然气和生物气体中的甲烷转化为乙烯有望用于工业生产。
他说:“在能源和排放方面，OCM有可能更便宜、更高效。”“此外，你使用的甲烷通常来自天然气，而不是原油，但将来也可能来自沼气和二氧化碳的电化学还原。一旦你有了乙烯，你就能把它转化成全世界都在使用的无数产品。”
展望未来
下一步是确定催化剂对工业规模生产的适用性，同时试图进一步提高产量。然而，就目前而言，这种自20世纪80年代以来一直未实现的方法终于得到了改进，这是一个里程碑。
“系统的复杂性和发生的动态，几乎就像艺术一样，”Mosevitzky Lis说。“催化剂的核心和外壳都经历了非常极端的过程，在表面上产生了各种有趣的东西。很漂亮。”
参考文献:“碳酸锂促进混合稀土氧化物作为甲烷氧化偶联的一般策略”，赵坤，高云飞，王西军，Bar Mosevitzky Lis，刘俊辰，金柏腾，Jacob Smith，黄传德，高文培，王晓东，王鑫，郑安庆，黄震，胡建利，Reinhard Sch?macker, Israel E. Wachs，李范兴，2024年11月27日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 023 - 43682 - 5
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