清華新聞網(wǎng)7月24日電 近日，清華大學(xué)化工系陸奇副教授團(tuán)隊(duì)在低碳烷烴的活化研究方面取得重要進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了常溫、常壓下低碳烷烴的選擇性氧化。該技術(shù)有望在低碳烷烴的資源化綠色利用方面發(fā)揮重要作用，促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展。
頁(yè)巖氣開(kāi)采導(dǎo)致了低碳烷烴產(chǎn)量持續(xù)增加。鑒于運(yùn)輸成本與液化成本的考慮，將這些碳?xì)浠衔锏团欧?、低能耗地轉(zhuǎn)化為高價(jià)值液體燃料和商用化學(xué)品，對(duì)便捷就地儲(chǔ)存和利用具有重要意義。通常需要高溫高壓條件（200-600℃，5-50個(gè)大氣壓）來(lái)轉(zhuǎn)化低碳烷烴。比如，乙烷和丙烷脫氫/裂解制備烯烴或?qū)⒌吞纪闊N部分氧化為醇類(lèi)，往往需要集中的大規(guī)?；ぴO(shè)備，但這不適于分散的、遠(yuǎn)距離的油氣田產(chǎn)出的低碳烷烴的開(kāi)發(fā)與利用。另外，雖然也有親電性金屬陽(yáng)離子在稍溫和條件下（110-220℃，10-35個(gè)大氣壓）活化低碳烷烴的報(bào)道，但需使用腐蝕性溶劑（如焦硫酸或三氟乙酸）且需要額外的水解步驟（將酯轉(zhuǎn)化為醇），增加了制備成本。
鑒于以上挑戰(zhàn)，陸奇團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種高活性金屬銅催化劑，在室溫和常壓下，以氧氣作為氧化劑將這些低碳烷烴轉(zhuǎn)化為相應(yīng)的含氧化合物和烯烴。值得指出，該技術(shù)對(duì)乙烷和丙烷的轉(zhuǎn)化效果良好。乙烷可高選擇性（97%）轉(zhuǎn)變?yōu)橐蚁┖鸵宜?，其轉(zhuǎn)化速率高達(dá)2.27毫摩爾/克催化劑/小時(shí)。丙烷可高選擇性（94%）轉(zhuǎn)化為丙烯，轉(zhuǎn)化速率為1.83毫摩爾/克催化劑/小時(shí)。
圖1.在不同的氧氣摩爾分?jǐn)?shù)下乙烷（a）、丙烷（b）和甲烷（c）活化的產(chǎn)物及相應(yīng)的生成速率
該團(tuán)隊(duì)利用同位素標(biāo)記實(shí)驗(yàn)和原位表面增強(qiáng)拉曼光譜，深入探究了關(guān)鍵反應(yīng)中間體的形成過(guò)程，提出了銅在反應(yīng)條件下會(huì)生成表面氧化物，可實(shí)現(xiàn)烷烴的碳?xì)滏I斷裂，生成吸附的烷基中間體。進(jìn)而通過(guò)分子模擬和密度泛函理論計(jì)算，提出了可能的反應(yīng)途徑（圖2）。
圖2.理論計(jì)算所使用的計(jì)算模型及理論反應(yīng)機(jī)理
該項(xiàng)目技術(shù)在室溫、常壓的條件下將低碳烷烴轉(zhuǎn)化為高價(jià)值的液體燃料和商用化學(xué)品，在催化科學(xué)和綠色化學(xué)領(lǐng)域?qū)儆谥匾黄?。由于?yè)巖氣來(lái)源，可以減少對(duì)石油資源的依賴(lài)，還可能減少頁(yè)巖氣開(kāi)采過(guò)程的溫室氣體排放，將對(duì)全球能源結(jié)構(gòu)的優(yōu)化和改善產(chǎn)生潛在的積極影響。
該研究以“室溫常壓下低碳烷烴的活化”（Activation of light alkanes at room temperature and ambient pressure）為題，于7月20日發(fā)表在《自然·催化》（Nature Catalysis）期刊上。陸奇為該論文的通訊作者，清華大學(xué)化學(xué)工程系2017級(jí)博士生張皓晨和2018級(jí)博士生李春松為共同第一作者。2021級(jí)博士生劉文萱也參與了該項(xiàng)研究。北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院教授徐冰君作為共同通訊作者參與了本課題的研究。研究得到了化學(xué)工程聯(lián)合國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室（清華大學(xué)）和清華大學(xué)自主科研專(zhuān)項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41929-023-00990-9
供稿：化工系
編輯：李若夢(mèng)
審核：郭玲
