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“甲烷室溫催化”研究進展科普解讀

來源:科學(xué)網(wǎng)   尹莉華   2020-09-15
導(dǎo)讀:近日,中科院大連化學(xué)物理研究所的科學(xué)家,通過研究,在石墨烯材料的幫助下,在室溫條件下(25℃)直接將天然氣的主要成分甲烷催化并且轉(zhuǎn)化為其他化合物,實現(xiàn)了化學(xué)領(lǐng)域“圣杯”式難題的重大突破,邁出了甲烷室溫催化的第一步。

1. 石油化工

要理解什么是甲烷室溫催化,還要從石油化工講起。

石油化工和我們?nèi)粘I钕⑾⑾嚓P(guān),例如交通工具用到的汽油,包裝用的塑料袋,以及制作衣服的各種化纖材料等等,都屬于石油化工這個范疇。石油化工是關(guān)系著能源的主要供應(yīng)者,也是材料工業(yè)的支柱之一。

石油化工主要指以石油和天然氣為原料,生產(chǎn)石油產(chǎn)品和石油化工產(chǎn)品的加工工業(yè)。生產(chǎn)石油產(chǎn)品就是煉油,主要包括各種燃料油(汽油、煤油、柴油等)、潤滑油,及液化石油氣、瀝青等。

生產(chǎn)石油化工產(chǎn)品主要分兩部分:首先是對原料油和氣進行裂解,生成以乙烯等為代表的基本化工原料, PX(二甲苯)項目就屬于這一類。然后用這些基本化工原料,又可以繼續(xù)生產(chǎn)更多化工原料和合成高分子材料,包括塑料、合成纖維、合成橡膠等。比如用乙烯作原料生產(chǎn)的聚乙烯,就是我們常見的塑料包裝袋的材料。

可以說,我們?nèi)粘I钪械摹耙?、食、住、行”樣樣都離不開石化產(chǎn)品。沒有石油化工生產(chǎn)出來的基本化工原料,制藥廠就沒有化學(xué)原料來制備藥品,紡織廠也沒有化纖來做衣服,礦泉水公司就沒有塑料瓶來裝水,汽車廠沒有橡膠來制作車胎……

2.從石油到天然氣

作為石油化工原料之一的天然氣,也跟石油一樣,既可以用作能源燃料,也可以用于合成基本化工原料。由于天然氣儲量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過石油儲量,有可能未來取代石油成為主要能源和化工原料。

天然氣主要成分是甲烷。目前人們通常使用間接轉(zhuǎn)化法將甲烷轉(zhuǎn)化,就是先讓水蒸氣和甲烷一起發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成一氧化碳和氫氣的混合氣體,再讓混合氣體發(fā)生化學(xué)反應(yīng)合成其他化工原料及油品。這種方法比較復(fù)雜、消耗能量大、生產(chǎn)成本高。

甲烷的直接轉(zhuǎn)化利用,就是省去了水蒸氣和甲烷反應(yīng)生成混合氣體的環(huán)節(jié),直接由甲烷轉(zhuǎn)化為化工原料。因為少一道工序,甲烷的直接轉(zhuǎn)化在化工生產(chǎn)中就更有吸引力。然而,由于甲烷的分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定,要讓它發(fā)生化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化所需要的能量很高,反應(yīng)不容易進行。

3. 催化劑及化工使用現(xiàn)狀

有一種方法能夠讓化學(xué)反應(yīng)變得更容易更高效,就是使用催化劑。催化劑又稱觸媒,是能通過提供另一活化能較低的反應(yīng)途徑而加快化學(xué)反應(yīng)速率,而本身的質(zhì)量、組成和化學(xué)性質(zhì)在參加化學(xué)反應(yīng)前后保持不變的物質(zhì)。

催化劑的發(fā)現(xiàn)源于一次有趣的偶然事件。1835的一天,瑞典化學(xué)家貝采里烏斯的妻子過生日,他從實驗室回家,客人們紛紛舉杯向他祝賀,他顧不上洗手就接過一杯蜜桃酒一飲而盡。當(dāng)他自己斟滿第二杯酒干杯時,卻發(fā)現(xiàn)是酸的,還以為是妻子錯把醋當(dāng)酒給他喝了。

于是他仔細(xì)觀察,發(fā)現(xiàn)酒杯里有少量黑色粉末,正是他手上沾的鉑金粉末,鉑金粉末像變魔術(shù)一樣把蜜桃酒“變”成了醋酸。他非常興奮,后來研究發(fā)現(xiàn),是鉑金粉末加快了乙醇(酒精)和空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng),生成了醋酸。鉑金粉末就是人類發(fā)現(xiàn)的第一種催化劑。

目前甲烷的直接轉(zhuǎn)化所選用的催化劑是傳統(tǒng)的過渡金屬,如鐵、鐵鈷等、,但反應(yīng)仍然需要在600~1100℃這樣高的溫度下才能夠進行。如果有一種催化劑,能夠降低甲烷直接轉(zhuǎn)化的反應(yīng)溫度,將節(jié)省大量的能耗,對基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。

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4. 甲烷室溫轉(zhuǎn)化與納米限域催化

研制甲烷室溫轉(zhuǎn)化的催化劑對科學(xué)家來講也是一個巨大的挑戰(zhàn),被認(rèn)為是化學(xué)領(lǐng)域“圣杯”式的難題。中科院大連化物所的包信和院士,帶領(lǐng)團隊一直致力于甲烷轉(zhuǎn)化高效催化劑的研究,最近他們終于制備出一種催化劑,能夠直接在室溫條件下完成甲烷的直接轉(zhuǎn)化。

通常情況下,要調(diào)控金屬催化劑的活性,一般會在金屬表面引入表層合金,或者在金屬表面下引入次表層元素來實現(xiàn),也就是說要么在催化劑表面那層原子的上面加一層合金原子,要么在催化劑表面那層原子的下面加一層別的原子。但這一次,科學(xué)家沒有用這種傳統(tǒng)方法,而想了一種新的方法,就是使用納米材料。

最開始科學(xué)家發(fā)現(xiàn),把金屬催化劑納米顆粒組裝到碳納米管的管腔內(nèi),就像我們把一顆玻璃彈珠放到水管內(nèi)壁一樣,此時納米顆粒的特性會發(fā)生變化,它的催化反應(yīng)性能提高了,科學(xué)家將這種現(xiàn)象定義為納米限域催化。

后來,科學(xué)家發(fā)現(xiàn)不僅僅是碳納米管,石墨烯也存在納米限域催化效果??茖W(xué)家在金屬表面覆蓋一層石墨烯,就像是把一張紙放到桌子表面一樣,石墨烯和金屬表面形成的限域空間中,這個空間中的電子環(huán)境非常獨特,可以使催化反應(yīng)明顯加快。

在這個方法的指引下,科學(xué)家又經(jīng)過幾年的努力,設(shè)計了一系列石墨烯限域過渡金屬催化材料,終于實現(xiàn)在室溫條件下,以雙氧水為氧化劑,可以直接將甲烷催化轉(zhuǎn)化為甲醇等基本化工原料。

不僅僅是甲烷催化,事實上,納米限域催化的研究為整個化工領(lǐng)域的催化劑研制提供了很好的創(chuàng)新思路和方法。在這個方法的幫助下,科學(xué)家已經(jīng)為好幾種化工反應(yīng)找到了更高效的催化劑,并且其中一些成果已經(jīng)成功實現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。

如在對煤的催化轉(zhuǎn)化中,科學(xué)家發(fā)明了“OX-ZEO”方法,使用新型催化劑,煤的催化轉(zhuǎn)化過程不再需要水的參與,只需要一步就能完成。比傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)化工藝能耗低,工藝簡化。這項技術(shù)在2019年9月已經(jīng)在工廠中實驗成功,未來在工業(yè)上將具有巨大的競爭力。

催化劑對于化工生產(chǎn)的重要性不言而喻,對于催化劑的研究和改進,將是一條漫長又艱難的探索之路,值得慶幸的是,我們已經(jīng)邁開了成功的第一步。

參考資料:

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30218-9

https://www.pnas.org/content/111/48/17023

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201901996

http://www.cas.cn/cm/201808/t20180828_4661832.shtml

http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/2019/6/20196413381577750456.shtm

http://www.cas.cn/syky/201909/t20190923_4715767.shtml

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9F%B3%E6%B2%B9%E5%8C%96%E5%AD%A6


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