我國科學家實現(xiàn)甲烷向乙醇的高效轉化
記者24日從清華大學獲悉，該校工業(yè)催化中心唐軍旺課題組開發(fā)了一種新型分子結光催化劑，能夠?qū)⒓淄楦咝а趸癁橐掖肌Ｏ嚓P研究成果已在線發(fā)表于《自然》。
甲烷是天然氣和頁巖氣的主要成分，也是化學合成的重要碳源。將甲烷部分氧化為多碳化合物，是實現(xiàn)我國天然氣資源高價值利用、推動能源化工低碳轉型的重要技術路徑。然而，甲烷分子的高度對稱性和穩(wěn)定性使得甲烷轉化反應的活性較低。而且，傳統(tǒng)甲烷轉化依賴高溫高壓環(huán)境，需要通過一氧化碳中間產(chǎn)物進行多步反應，效率低且副產(chǎn)物多。在這種情況下，為了高效利用甲烷，實現(xiàn)潔凈燃料和綠色化學品的合成，研究人員亟待開發(fā)可在溫和條件下進行的甲烷轉化技術。
“我們的研究目標是，開發(fā)在溫和條件下將甲烷一步轉化為更高價值的碳二產(chǎn)品（如乙醇）的技術，且不需要經(jīng)過一氧化碳的中間步驟。”唐軍旺說。
為此，研究團隊采用了一種分子內(nèi)結光催化劑——CTF-1，其交替的苯環(huán)和三嗪基團能夠?qū)⒓淄榕悸?lián)并氧化為乙醇，顯著提高選擇性和轉化率。
唐軍旺表示，這種異質(zhì)結結構不僅能夠?qū)崿F(xiàn)電荷生成后的高效且持久分離，還能使水分子和氧分子分別優(yōu)先吸附在三嗪單元和苯單元上。
歷經(jīng)近十年的連續(xù)研究，唐軍旺研究團隊成功利用“分子內(nèi)結”實現(xiàn)了多個關鍵步驟的突破，包括調(diào)控光生電子和空穴在空間上的分離、催化劑氧化和還原反應位點的物理分離、甲烷和氧氣吸附位點的控制、反應中間體和強氧化位點的分離。
唐軍旺說：“這些步驟最終實現(xiàn)了甲烷的高轉化率以及目標產(chǎn)物的高選擇性，可以一步將甲烷部分氧化并高效生成乙醇。”
據(jù)了解，這一研究成果為開發(fā)高效穩(wěn)定的光催化劑提供了重要參考，有望推動光催化技術在甲烷轉化和高附加值化學品合成領域的應用進程，對能源與化工產(chǎn)業(yè)的可持續(xù)發(fā)展具有重要意義。
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