上海光源用户在甲烷高效转化研究中取得重大突破

近日，中国科学院大连化学物理研究所包信和院士团队利用上海光源BL14W1线站，在甲烷无氧条件下选择活化的研究中取得了重大突破，相关成果发表在5月9日出版的Science杂志上。（Science，2014,344,616）

随着世界范围内富含甲烷的页岩气、天然气水合物、生物沼气等的大规模发现与开采，以储量相对丰富和价格低廉的天然气替代石油生产液体燃料和基础化学品成为了学术界和产业界研究和发展的重点。使用传统的二步法甲烷转化路线冗长，投资和消耗高，尤为突出的问题是，由于采用了氧分子作为甲烷活化的助剂或介质，过程中不可避免地形成和排放大量温室气体二氧化碳，一方面影响生态环境，另一方面致使总碳的利用率大大降低，通常不会超过一半。因此，人们一直都在努力探索天然气直接转化利用的有效方法与过程。

包信和院士团队将具有高催化活性的单中心低价铁原子通过两个碳原子和一个硅原子镶嵌在氧化硅或碳化硅晶格中（0.5% Fe@SiO₂体系），形成高温稳定的催化活性中心；甲烷分子在配位不饱和的单铁中心上催化活化脱氢，获得表面吸附态的甲基物种，进一步从催化剂表面脱附形成高活性的甲基自由基，在气相中经自由基偶联反应生成乙烯和其它高碳芳烃分子，如苯和萘等。与天然气转化的传统路线相比，该研究彻底摒弃了高耗能的合成气制备过程，大大缩短了工艺路线，反应过程本身实现了二氧化碳的零排放，碳原子利用效率达到100%。

为了从原子水平上认识了催化剂单铁中心活性位的结构、自由基表面引发和气相偶联生成产物的反应机制，进而揭示单铁活性中心抑制甲烷深度活化从而避免积碳的机理，该课题组在上海光源BL14W1线站针对纳米0.5% Fe@SiO₂体系开展了原位XAFS实验。数据分析表明在催化剂活化前，具有明显的Fe-O配位，而在催化剂活化后，变为 Fe-C以及Fe-Si配位。这个结果充分说明在催化剂高温活化过程中Fe原子从铁氧化物纳米颗粒的形态中脱离嵌入进SiO₂晶格形成了单原子的分布。这也进一步说明该催化剂的性能来源于不饱和配位Fe原子的高活性。

在该工作中，BL14W1线站科技人员积极参与，在实验和数据处理两个方面提供了相应的专业技术支持，为该成果的发表作出了贡献。BL14W1线站与包信和院士团队保持长期的密切合作，此前已经在Science，JACS，PNAS等国际顶级期刊上发表多篇研究论文。（物理与环境部 供稿）

直接、无氧化条件下的高效甲烷转化