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甲烷可实现选择性氧化！清洁能源再得一“将”
2022年02月22日 13:57:26
来源：化工仪器网 作者：江鱼 点击量：5084
中国科学院精密测量科学与技术创新研究院科研团队联合英国卡迪夫大学教授开发新款催化剂，可在温和条件下进行甲烷选择性氧化。
【化工仪器网 项目成果】 甲烷是仅次于二氧化碳的第二大温室气体。与二氧化碳不同，甲烷的排放形式为无组织逸散，持续性强、泄露浓度低。近年来，甲烷排放量不断增长。据美国国家海洋和大气管理局统计数据显示，2021年全球大气甲烷浓度超1900ppb。
1983年-2000年，全球大气甲烷含量不断上升，浓度保持在1770ppb左右。然而从2007年开始，全球大气甲烷含量再次增长，空气质量问题迎来严峻考验，温室效应加剧。天然气、石油大幅度开采、垃圾量、填埋场增加，牲畜数增多，化石燃料大量燃烧，工农业成为甲烷的主要制造者。
实际上，甲烷含有丰富的天然碳资源，广泛分布于天然气、页岩气、煤层气、甲烷水合物等之中。但其具有检测不确定性高，回收难度大、成本高等多个难点，转化、减排并非易事。对此，技术发挥关键性作用。
近日，中国科学院精密测量科学与技术创新研究院科研团队联合英国卡迪夫大学教授，开发了金(Au)负载的ZSM-5沸石分子筛(Au/ZSM-5)催化剂，该催化剂可在温和条件下进行甲烷选择性氧化。该项成果发表于国际学术期刊《自然·催化》。
据研究人员介绍，利用Au/ZSM-5催化剂，可在120°-240°温度范围内，将甲烷选择性氧化生成高附加值化学品甲醇和乙酸。转换后，通过核磁共振定量分析，结果指出该选择性转化可获得7.3 mol/molAu/h的含氧化合物产量。
另外，在甲烷选择性转化之前，研究人员通过核磁共振波谱法(1H-13C NMR)实验，利用12C和13C同位素示踪技术，研究了甲烷转化机制，明确催化剂表面的金(Au)纳米粒子能够促进氧气活化生成活性氧物种进而与甲烷发生反应。此外，该反应不仅仅是甲烷在液相的氧化反应，还涉及固体催化表面上甲基、过氧甲基、乙酰基等活性物种的生成与转化。
由于甲烷的化学键能较大，需要高温高压条件才能将其转化。此前，工业上常将甲烷转化为一氧化碳和氢气组成的合成气，再转化为高附加值的产物。但这一过程不仅能耗高，还容易出现二氧化碳等副产品，难以保证转化效率和纯度。不仅如此，甲烷存储地区通常较偏远，难以在现场将甲烷实时转化为可运输的含氧化合物。当前，甲烷转化技术可在温和条件下直接将甲烷催化氧化为包括甲醇、甲酸、乙酸在内的高附加值的化学品，对开采现场对甲烷的高效利用具有重要意义。
据了解，能源活动是我国甲烷排放的主要来源之一。随着大力推崇清洁能源时代到来，“十四五”纲要明确，加大甲烷、全氟化碳等其他温室气体管控力度，推动相关规划和政策的制定、落地。2021年11月，“甲烷国家行动计划”出炉，从开展甲烷排放控制研究，推动出台中国甲烷排放控制行动方案，加强重点领域甲烷排放的监测、核算、报告和核查体系建设，鼓励先行先试，加强国际合作从五个方面入手。上文提及的甲烷高效转化方案不仅响应了“十四五”规划和““甲烷国家行动计划”，还为当前甲烷行动开阔思路，开辟全新的清洁能源转换方向，不再拘泥于甲烷气体排放和管控，形成产学研整合式发散思路，推动我国“双碳”目标如期实现。
另外，也要看到技术推广难度。下一步，研究人员思考的是如何将该项技术市场化推广，实现甲烷选择性转化规划化发展。
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