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甲烷可實(shí)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(lái)源：化工儀器網(wǎng) 作者：江魚 點(diǎn)擊量：5120

中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國(guó)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(xiàng)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(wú)組織逸散，持續(xù)性強(qiáng)、泄露濃度低。近年來(lái)，甲烷排放量不斷增長(zhǎng)。據(jù)美國(guó)國(guó)家海洋和大氣管理局統(tǒng)計(jì)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(zhǎng)，空氣質(zhì)量問(wèn)題迎來(lái)嚴(yán)峻考驗(yàn)，溫室效應(yīng)加劇。天然氣、石油大幅度開采、垃圾量、填埋場(chǎng)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(shí)際上，甲烷含有豐富的天然碳資源，廣泛分布于天然氣、頁(yè)巖氣、煤層氣、甲烷水合物等之中。但其具有檢測(cè)不確定性高，回收難度大、成本高等多個(gè)難點(diǎn)，轉(zhuǎn)化、減排并非易事。對(duì)此，技術(shù)發(fā)揮關(guān)鍵性作用。
 
　　近日，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院科研團(tuán)隊(duì)聯(lián)合英國(guó)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(xiàng)成果發(fā)表于國(guó)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(guò)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(guò)核磁共振波譜法(1H-13C NMR)實(shí)驗(yàn)，利用12C和13C同位素示蹤技術(shù)，研究了甲烷轉(zhuǎn)化機(jī)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(guò)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(guò)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(chǔ)地區(qū)通常較偏遠(yuǎn)，難以在現(xiàn)場(chǎng)將甲烷實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)化為可運(yùn)輸?shù)暮趸衔铩．?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(duì)開采現(xiàn)場(chǎng)對(duì)甲烷的高效利用具有重要意義。
 
　　據(jù)了解，能源活動(dòng)是我國(guó)甲烷排放的主要來(lái)源之一。隨著大力推崇清潔能源時(shí)代到來(lái)，“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(dòng)相關(guān)規(guī)劃和政策的制定、落地。2021年11月，“甲烷國(guó)家行動(dòng)計(jì)劃”出爐，從開展甲烷排放控制研究，推動(dòng)出臺(tái)中國(guó)甲烷排放控制行動(dòng)方案，加強(qiáng)重點(diǎn)領(lǐng)域甲烷排放的監(jiān)測(cè)、核算、報(bào)告和核查體系建設(shè)，鼓勵(lì)先行先試，加強(qiáng)國(guó)際合作從五個(gè)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(guó)家行動(dòng)計(jì)劃”，還為當(dāng)前甲烷行動(dòng)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(dòng)我國(guó)“雙碳”目標(biāo)如期實(shí)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(xiàng)技術(shù)市場(chǎng)化推廣，實(shí)現(xiàn)甲烷選擇性轉(zhuǎn)化規(guī)劃化發(fā)展。
 
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