日前，記者從中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所獲悉，該所包信和院士團(tuán)隊(duì)基于納米限域催化的新概念，創(chuàng)造性地構(gòu)建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑，成功實(shí)現(xiàn)了甲烷在無氧條件下選擇活化，一步高效生產(chǎn)出乙烯、芳烴和氫氣等高附加值化學(xué)品。相關(guān)成果發(fā)表在5月9日出版的《Science》雜志上，相關(guān)的PCT（專利合作條約）專利申請(qǐng)已進(jìn)入美國、俄羅斯、日本、歐洲和中東等國家和地區(qū)。

    與天然氣轉(zhuǎn)化的傳統(tǒng)路線相比，該研究徹底摒棄了高耗能的合成氣制備過程，大大縮短了工藝路線，反應(yīng)過程本身實(shí)現(xiàn)了二氧化碳的零排放，碳原子利用效率達(dá)到100%。
 

    迄今為止，天然氣的轉(zhuǎn)化利用通常采用兩步法。首先，在高溫條件下通過混合氧氣、二氧化碳或水蒸氣，將天然氣中的甲烷重整為含一定比例一氧化碳和氫氣的合成氣。隨后，或采用費(fèi)托合成方法，在特定催化劑上將合成氣轉(zhuǎn)化為高碳烴類分子（油品和基礎(chǔ)化學(xué)品等）；或先由合成氣制備甲醇，再經(jīng)微孔分子篩催化劑脫水，生產(chǎn)烯烴和其他化學(xué)品。
 

    傳統(tǒng)的甲烷轉(zhuǎn)化路線冗長，投資和消耗高。尤為突出的問題是，采用氧分子作為甲烷活化的助劑或介質(zhì)，不可避免地會(huì)形成和排放大量二氧化碳，不但影響生態(tài)環(huán)境．總碳利用率通常不會(huì)超過一半。因此，人們一直都在努力探索天然氣直接轉(zhuǎn)化利用的有效方法與過程。
 

    具有四面體對(duì)稱性的甲烷分子是自然界中最穩(wěn)定的有機(jī)小分子，它的選擇活化和定向轉(zhuǎn)化是一個(gè)世界性難題，被譽(yù)為是催化乃至化學(xué)領(lǐng)域的“圣杯”。甲烷分子C-H鍵的有效活化通常都需要采用強(qiáng)氧化劑（如強(qiáng)酸等）或高溫氧原子，甚至要有強(qiáng)烈的外場（如等離子體、微波和激光等）輔助。由于這類方法存在效率低下、化學(xué)選擇性差和環(huán)境不友好等缺陷，目前還沒有真正實(shí)現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的實(shí)例。
 

    在20多年甲烷催化轉(zhuǎn)化研究的基礎(chǔ)上，包信和團(tuán)隊(duì)將具有高催化活性的單中心低價(jià)鐵原子通過兩個(gè)碳原子和一個(gè)硅原子鑲嵌在氧化硅或碳化硅晶格中，形成高溫穩(wěn)定的催化活性中心；甲烷分子在配位不飽和的單鐵中心上催化活化脫氫，獲得表面吸附態(tài)的甲基物種，進(jìn)一步從催化劑表面脫附形成高活性的甲基自由基，隨后在氣相中經(jīng)自由基偶聯(lián)反應(yīng)生成乙烯和其他高碳芳烴分子，如苯和萘等。當(dāng)反應(yīng)溫度在1090℃，每克催化劑每小時(shí)流過的甲烷為21升時(shí)，甲烷的單程轉(zhuǎn)化率達(dá)48.1%，產(chǎn)物乙烯、苯和萘的選擇性大于99%，其中乙烯的選擇性為48.4%。在60小時(shí)的壽命評(píng)價(jià)過程中，催化劑保持了極好的穩(wěn)定性。
 

    目前，國內(nèi)外多家能源和化學(xué)公司都對(duì)這一產(chǎn)業(yè)變革性技術(shù)表現(xiàn)出了濃厚的興趣，希望能優(yōu)先合作。