甲烷選擇氧化反應硼基催化劑的研究進展

发布日期:2020-11-11     浏览次数:次   

我院王帥教授同華盛頓州立大學王勇教授合作在甲烷選擇氧化反應非金屬硼基催化劑的研究中取得重要進展,相關成果以“Direct conversion of methane to formaldehyde and CO on B2O3 catalysts”爲題發表于《自然-通訊》期刊(Nature Communications, 2020, 11, 5693)。

甲烷作爲天然氣的主要組成成分,是非常重要的碳基資源。由于甲烷分子中C-H鍵的高鍵能及弱極性,其活化通常需要在較苛刻的反應條件下進行,選擇性難以控制,使得如何實現甲烷的化學定向轉化極具挑戰性,甚至被譽爲化學領域的聖杯。例如,甲烷通過部分氧化反應可以制得甲醇、甲醛、COC1平台分子,但這些産物往往比甲烷更易發生深度氧化而生成熱力學穩定的CO2,導致甲烷部分氧化反應的選擇性受限,成爲該轉化路線實際應用的瓶頸。

本研究中發現負載型B2O3催化劑在甲烷直接氧化反應中表現出優異的抗深度氧化能力。在550°C、常壓和近6%的甲烷轉化率下,甲烷在該類非金屬催化劑上可高選擇性生成甲醛和CO(選擇性之和達94%),而CO2的選擇性低于5%,明顯優于傳統的金屬氧化物催化劑。特別的,産物中甲醛與CO的摩爾比例接近1/1,提供了在下遊轉化中通過羰基化反應一步合成乙酸或乙醇酸的可能性。同時,B2O3基催化劑在反應100 h內保持性能穩定,且選擇性幾乎不受O2分壓的影響,顯示出一定的實際應用潛力。反應機理研究進一步表明,吸附于B2O3表面三配位B中心上具有弱親核性的分子氧是甲烷選擇性氧化的關鍵氧物種,有別于傳統金屬氧化物催化劑上強親核性晶格氧。硼基催化劑的研究揭示了調控活性氧物種的親核能力對甲烷氧化反應選擇性的顯著影響,爲設計高效的甲烷選擇氧化催化劑提供了新的思路。

本研究工作是在王帥教授和王勇教授的共同指導下完成。2015級博士生田金樹(已畢業)、碩士生談江喬(已畢業)以及醇醚酯清潔生産國家工程實驗室張朝霞工程師爲共同第一作者,林敬東副教授和萬紹隆副教授等參與了部分研究和討論。研究工作得到了國家自然科學基金(2192220121872113919453012167318991545114)和中央高校基本科研業務費專項資金(2072019003620720160032)的資助與支持。

論文連接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-19517-y

 

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