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甲烷可實現選擇性氧化！清潔能源再得一“將”
2022年02月22日 13:57:26
來源：化工儀器網 作者：江魚 點擊量：5123
中國科學院精密測量科學與技術創新研究院科研團隊聯合英國卡迪夫大學教授開發新款催化劑，可在溫和條件下進行甲烷選擇性氧化。
【化工儀器網 項目成果】 甲烷是僅次于二氧化碳的第二大溫室氣體。與二氧化碳不同，甲烷的排放形式為無組織逸散，持續性強、泄露濃度低。近年來，甲烷排放量不斷增長。據美國國家海洋和大氣管理局統計數據顯示，2021年全球大氣甲烷濃度超1900ppb。
1983年-2000年，全球大氣甲烷含量不斷上升，濃度保持在1770ppb左右。然而從2007年開始，全球大氣甲烷含量再次增長，空氣質量問題迎來嚴峻考驗，溫室效應加劇。天然氣、石油大幅度開采、垃圾量、填埋場增加，牲畜數增多，化石燃料大量燃燒，工農業成為甲烷的主要制造者。
實際上，甲烷含有豐富的天然碳資源，廣泛分布于天然氣、頁巖氣、煤層氣、甲烷水合物等之中。但其具有檢測不確定性高，回收難度大、成本高等多個難點，轉化、減排并非易事。對此，技術發揮關鍵性作用。
近日，中國科學院精密測量科學與技術創新研究院科研團隊聯合英國卡迪夫大學教授，開發了金(Au)負載的ZSM-5沸石分子篩(Au/ZSM-5)催化劑，該催化劑可在溫和條件下進行甲烷選擇性氧化。該項成果發表于國際學術期刊《自然·催化》。
據研究人員介紹，利用Au/ZSM-5催化劑，可在120°-240°溫度范圍內，將甲烷選擇性氧化生成高附加值化學品甲醇和乙酸。轉換后，通過核磁共振定量分析，結果指出該選擇性轉化可獲得7.3 mol/molAu/h的含氧化合物產量。
另外，在甲烷選擇性轉化之前，研究人員通過核磁共振波譜法(1H-13C NMR)實驗，利用12C和13C同位素示蹤技術，研究了甲烷轉化機制，明確催化劑表面的金(Au)納米粒子能夠促進氧氣活化生成活性氧物種進而與甲烷發生反應。此外，該反應不僅僅是甲烷在液相的氧化反應，還涉及固體催化表面上甲基、過氧甲基、乙酰基等活性物種的生成與轉化。
由于甲烷的化學鍵能較大，需要高溫高壓條件才能將其轉化。此前，工業上常將甲烷轉化為一氧化碳和氫氣組成的合成氣，再轉化為高附加值的產物。但這一過程不僅能耗高，還容易出現二氧化碳等副產品，難以保證轉化效率和純度。不僅如此，甲烷存儲地區通常較偏遠，難以在現場將甲烷實時轉化為可運輸的含氧化合物。當前，甲烷轉化技術可在溫和條件下直接將甲烷催化氧化為包括甲醇、甲酸、乙酸在內的高附加值的化學品，對開采現場對甲烷的高效利用具有重要意義。
據了解，能源活動是我國甲烷排放的主要來源之一。隨著大力推崇清潔能源時代到來，“十四五”綱要明確，加大甲烷、全氟化碳等其他溫室氣體管控力度，推動相關規劃和政策的制定、落地。2021年11月，“甲烷國家行動計劃”出爐，從開展甲烷排放控制研究，推動出臺中國甲烷排放控制行動方案，加強重點領域甲烷排放的監測、核算、報告和核查體系建設，鼓勵先行先試，加強國際合作從五個方面入手。上文提及的甲烷高效轉化方案不僅響應了“十四五”規劃和““甲烷國家行動計劃”，還為當前甲烷行動開闊思路，開辟全新的清潔能源轉換方向，不再拘泥于甲烷氣體排放和管控，形成產學研整合式發散思路，推動我國“雙碳”目標如期實現。
另外，也要看到技術推廣難度。下一步，研究人員思考的是如何將該項技術市場化推廣，實現甲烷選擇性轉化規劃化發展。
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