“挑战催化界“圣杯” 上海科学家提出甲烷转化新策略”

甲烷化学结构(互联网图)

中国科学院上海硅酸盐研究所24日宣布，该所研究员王文率领科研团队在甲烷光催化转化研究方面取得新进展，相关研究结果发表在nature communications上，申请中国发明专利之一，第一作者为中国科学院上海硅酸盐所博士

作为天然气、页岩气等的主要成分，甲烷具有储量相对丰富、价格低廉的特点，是替代石油生产液体燃料和基础化学品的行业，是学术界和产业界研究和快速发展的核心之一。 由于有广阔的前景和巨大的挑战，甲烷的选择性活化和定向是世界性的课题，被誉为催化剂乃至化学行业的“圣杯”。

迄今为止，甲烷的转化一般采用间接法:在高温下通过水蒸气改性将甲烷转化为合成气体，通过费休合成获得多碳基础化学品或由合成气体制备甲醇，制造其他化学品。 这条转换路线冗长，能耗高，过程中排放大量温室气体二氧化碳，不仅带来环境负荷，总碳利用率还不到一半。 因此，科学家一直在探索甲烷直接转化利用的做法。

据介绍，光催化直接转化可以打破传统热力学平衡的束缚，在低温常压下进行甲烷的转化。 王文研究小组设计和制备了铜修饰的氮化碳材料，实现了甲烷对乙醇的光催化直接转化，并对这一过程的机理进行了深入研究。

针对甲烷过度活化而容易完全矿化的问题，研究小组从活性氧物种生成和甲烷吸附活化两个角度，通过氮化碳材料有序空腔进行铜修饰，不仅可以生成羟基自由基的原位，还可以生成甲烷c-h键 该材料显示出优异的光催化甲烷转化性能，深入研究发现，除自由基机制外，该材料中的铜种与附近的碳原子有协同效应，转化过程沿甲烷-甲醇-乙醇的路径进行。

这项工作提出了温和条件下甲烷直接转化为液体燃料的新战略，有助于加深对高碳产物形成机理的认识。 相关研究工作得到了国家自然科学基金的资助和支持。 (完)