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甲烷可實現(xiàn)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(wǎng) 作者：江魚 點擊量：5122
中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院科研團(tuán)隊聯(lián)合英國卡迪夫大學(xué)教授開發(fā)新款催化劑，可在溫和條件下進(jìn)行甲烷選擇性氧化。
【化工儀器網(wǎng) 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(xù)性強、泄露濃度低。近年來，甲烷排放量不斷增長。據(jù)美國國家海洋和大氣管理局統(tǒng)計數(shù)據(jù)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(zhì)量問題迎來嚴(yán)峻考驗，溫室效應(yīng)加劇。天然氣、石油大幅度開采、垃圾量、填埋場增加，牲畜數(shù)增多，化石燃料大量燃燒，工農(nóng)業(yè)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(zhuǎn)化、減排并非易事。對此，技術(shù)發(fā)揮關(guān)鍵性作用。
近日，中國科學(xué)院精密測量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院科研團(tuán)隊聯(lián)合英國卡迪夫大學(xué)教授，開發(fā)了金(Au)負(fù)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(jìn)行甲烷選擇性氧化。該項成果發(fā)表于國際學(xué)術(shù)期刊《自然·催化》。
據(jù)研究人員介紹，利用Au/ZSM-5催化劑，可在120°-240°溫度范圍內(nèi)，將甲烷選擇性氧化生成高附加值化學(xué)品甲醇和乙酸。轉(zhuǎn)換后，通過核磁共振定量分析，結(jié)果指出該選擇性轉(zhuǎn)化可獲得7.3 mol/molAu/h的含氧化合物產(chǎn)量。
另外，在甲烷選擇性轉(zhuǎn)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(shù)，研究了甲烷轉(zhuǎn)化機制，明確催化劑表面的金(Au)納米粒子能夠促進(jìn)氧氣活化生成活性氧物種進(jìn)而與甲烷發(fā)生反應(yīng)。此外，該反應(yīng)不僅僅是甲烷在液相的氧化反應(yīng)，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(zhuǎn)化。
由于甲烷的化學(xué)鍵能較大，需要高溫高壓條件才能將其轉(zhuǎn)化。此前，工業(yè)上常將甲烷轉(zhuǎn)化為一氧化碳和氫氣組成的合成氣，再轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)物。但這一過程不僅能耗高，還容易出現(xiàn)二氧化碳等副產(chǎn)品，難以保證轉(zhuǎn)化效率和純度。不僅如此，甲烷存儲地區(qū)通常較偏遠(yuǎn)，難以在現(xiàn)場將甲烷實時轉(zhuǎn)化為可運輸?shù)暮趸衔?。?dāng)前，甲烷轉(zhuǎn)化技術(shù)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(nèi)的高附加值的化學(xué)品，對開采現(xiàn)場對甲烷的高效利用具有重要意義。
據(jù)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(guān)規(guī)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(lǐng)域甲烷排放的監(jiān)測、核算、報告和核查體系建設(shè)，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(zhuǎn)化方案不僅響應(yīng)了“十四五”規(guī)劃和““甲烷國家行動計劃”，還為當(dāng)前甲烷行動開闊思路，開辟全新的清潔能源轉(zhuǎn)換方向，不再拘泥于甲烷氣體排放和管控，形成產(chǎn)學(xué)研整合式發(fā)散思路，推動我國“雙碳”目標(biāo)如期實現(xiàn)。
另外，也要看到技術(shù)推廣難度。下一步，研究人員思考的是如何將該項技術(shù)市場化推廣，實現(xiàn)甲烷選擇性轉(zhuǎn)化規(guī)劃化發(fā)展。
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