甲烷转化

甲烷转化指的是化学物质甲烷通过各种反应转化为其他物质的过程。

研究背景自然界蕴藏有丰富的天然气资源。目前， 天然气作为化工原料主要用于合成氨、甲醇及其衍生物，其用量仅占天然气消耗量的5 %—7 %。可见， 作为化工原料它还无法与石油相比。但由于天然气储量远远超过石油储量， 从长远发展看， 随着石油资源的减少和开采难度加大， 天然气对石油相对价格的下跌以及天然气化工技术的进步， 天然气有可能在21世纪取代石油成为主要能源和化工原料。甲烷是天然气的主要成分， 研究开发甲烷的利用技术是当前国际上的热门课题之一。目前， 甲烷的化学利用比较成熟的还是间接转化法， 即先从甲烷制合成气， 再由合成气合成各种化工原料及油品。间接法流程复杂、能耗大、生产成本高， 投资也比较大。由于甲烷的直接转化可以一步得到有机化工产品， 因此其直接转化利用更有吸引力。然而， 由于甲烷堪称结构最稳定的有机分子， 它的活化要比其他烃类困难， 特别是希望得到的转化产物的化学活性往往比甲烷分子高得多。如何实现甲烷的定向高效转化是一个巨大的挑战， 它吸引众多的科学家进行着大量的研究。1

甲烷部分氧化制C1 含氧化合物在众多的甲烷直接转化技术中， 甲烷部分氧化制C1 含氧化合物(partial oxidation of methane ， POM)被认为是最具工业化潜力的路线，也是研究较多的方向。由于目的产物甲醇和甲醛的氧化速度要比原料甲烷的氧化速度快得多， 导致反应选择性的降低。为了抑制CO 和CO2的生成， 提高反应选择性， 各国研究人员在这方面做了大量工作。

甲烷无氧芳构化不论是甲烷部分氧化制C1 含氧化合物还是甲烷氧化偶联反应都需要在反应体系中引入氧， 这一方面有利于降低反应活化能， 提高反应活性;但另一方面， 由于氧的引入， 不仅会使甲烷和目的产物发生深度氧化， 降低反应选择性， 而且由于使用空分氧，势必会增加设备投资和生产成本， 进而降低该流程产品的市场竞争能力。

热力学数据表明， 烷烃向芳烃转化随着烷烃链长的增加而有利， 生成芳烃比生成烯烃有利。甲烷是饱和烃类家族中最小、最不活泼的成员， 甲烷的活化要比其同系物的活化困难得多。甲烷在非氧条件下直接合成苯需要很高的温度才能进行， 热力学上达到ΔGo =0 的反应温度为1075 ℃。从反应机理上设计了由甲烷两步转化为乙烷、丙烷、丁烷和戊烷的催化反应体系：第一步是甲烷在过渡金属催化剂上解离吸附生成表面碳物种和氢，所需温度为400 ℃左右;第二步为碳物种加氢生成小分子烷烃， 所需温度为100 ℃。2

转化甲烷新途径2018年7月，上海科技大学物质科学与技术学院左智伟团队找到了一个低成本、高效率的催化剂组合，室温条件下，就可实现甲烷转化。这为甲烷转化为火箭推进剂燃料等高附加值化工产品提供了新方案，为我国高效利用特有稀土金属资源提供了新思路。相关研究成果日前发表在国际学术期刊《科学》上3。

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任毅如 - 副教授 - 湖南大学