甲烷选择氧化反应硼基催化剂的研究进展

发布日期:2020-11-11     浏览次数:次   

我院王帅教授同华盛顿州立大学王勇教授合作在甲烷选择氧化反应非金属硼基催化剂的研究中取得重要进展,相关成果以“Direct conversion of methane to formaldehyde and CO on B2O3 catalysts”为题发表于《自然-通讯》期刊(Nature Communications, 2020, 11, 5693)。

甲烷作为天然气的主要组成成分,是非常重要的碳基资源。由于甲烷分子中C-H键的高键能及弱极性,其活化通常需要在较苛刻的反应条件下进行,选择性难以控制,使得如何实现甲烷的化学定向转化极具挑战性,甚至被誉为化学领域的圣杯。例如,甲烷通过部分氧化反应可以制得甲醇、甲醛、COC1平台分子,但这些产物往往比甲烷更易发生深度氧化而生成热力学稳定的CO2,导致甲烷部分氧化反应的选择性受限,成为该转化路线实际应用的瓶颈。

本研究中发现负载型B2O3催化剂在甲烷直接氧化反应中表现出优异的抗深度氧化能力。在550°C、常压和近6%的甲烷转化率下,甲烷在该类非金属催化剂上可高选择性生成甲醛和CO(选择性之和达94%),而CO2的选择性低于5%,明显优于传统的金属氧化物催化剂。特别的,产物中甲醛与CO的摩尔比例接近1/1,提供了在下游转化中通过羰基化反应一步合成乙酸或乙醇酸的可能性。同时,B2O3基催化剂在反应100 h内保持性能稳定,且选择性几乎不受O2分压的影响,显示出一定的实际应用潜力。反应机理研究进一步表明,吸附于B2O3表面三配位B中心上具有弱亲核性的分子氧是甲烷选择性氧化的关键氧物种,有别于传统金属氧化物催化剂上强亲核性晶格氧。硼基催化剂的研究揭示了调控活性氧物种的亲核能力对甲烷氧化反应选择性的显著影响,为设计高效的甲烷选择氧化催化剂提供了新的思路。

本研究工作是在王帅教授和王勇教授的共同指导下完成。2015级博士生田金树(已毕业)、硕士生谈江乔(已毕业)以及醇醚酯清洁生产国家工程实验室张朝霞工程师为共同第一作者,林敬东副教授和万绍隆副教授等参与了部分研究和讨论。研究工作得到了国家自然科学基金(2192220121872113919453012167318991545114)和中央高校基本科研业务费专项资金(2072019003620720160032)的资助与支持。

论文连接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-19517-y

 

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