催化学报 ›› 2021, Vol. 42 ›› Issue (7): 1117-1125.DOI: 10.1016/S1872-2067(20)63756-1

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表面偶联甲基自由基实现低温高效甲烷氧化偶联

邹世辉a,,#(), 李志年a,†, 周秋月a, 潘洋b, 袁文涛c, 贺磊a, 王申亮a, 文武b, 刘娟娟d, 王勇c, 杜永华e, 杨玖重b, 肖丽萍a, 小林久芳f,&(), 范杰a,*()   

  1. a浙江大学化学系浙江省应用化学重点实验室, 浙江杭州310027, 中国
    b中国科学技术大学, 国家同步辐射重点实验室, 安徽合肥230029, 中国
    c浙江大学材料科学与工程学院, 浙江杭州310027, 中国
    d杭州电子大学, 材料与环境工程学院, 浙江杭州310036, 中国
    e布鲁克海文国家实验室, 国家同步辐射光源II, 纽约11973, 美国
    f京都工艺纤维大学化学与材料科学系, 京都606-8585, 日本
  • 收稿日期:2021-01-04 接受日期:2021-01-09 出版日期:2021-07-18 发布日期:2021-01-19
  • 通讯作者: 邹世辉,小林久芳,范杰
  • 作者简介:

    共同第一作者.

  • 基金资助:
    国家自然科学基金(92045301);国家自然科学基金(91845203);国家自然科学基金(21802122);国家自然科学基金(21703050);中国科学院合肥大科学中心重点研发项目(2018HSC-KPRD002)

Surface coupling of methyl radicals for efficient low-temperature oxidative coupling of methane

Shihui Zoua,,#(), Zhinian Lia,†, Qiuyue Zhoua, Yang Panb, Wentao Yuanc, Lei Hea, Shenliang Wanga, Wu Wenb, Juanjuan Liud, Yong Wangc, Yonghua Due, Jiuzhong Yangb, Liping Xiaoa, Hisayoshi Kobayashif,&(), Jie Fana,*()   

  1. aKey Laboratory of Applied Chemistry of Zhejiang Province, Department of Chemistry, Zhejiang University, Hangzhou 310036, Zhejiang, China
    bNational Synchrotron Radiation Laboratory, University of Science and Technology of China, Hefei 230029, Anhui, China
    cSchool of Materials Science and Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, Zhejiang, China
    dCollege of Materials & Environmental Engineering, Hangzhou Dianzi University, Hangzhou 310036, Zhejiang, China
    eNational Synchrotron Light Source II, Brookhaven National Laboratory Upton NY, 11973, USA
    fEmertus Professor of Kyoto Institute of Technology, Matsugasaki, Sakyo-ku, Kyoto 606-8585, Japan
  • Received:2021-01-04 Accepted:2021-01-09 Online:2021-07-18 Published:2021-01-19
  • Contact: Shihui Zou,Hisayoshi Kobayashi,Jie Fan
  • About author:* Tel/Fax: +86-571-87952338; E-mail: jfan@zju.edu.cn;
    First author contact:

    These authors contributed equally to this work.

  • Supported by:
    National Natural Science Foundation of China(92045301);National Natural Science Foundation of China(91845203);National Natural Science Foundation of China(21802122);National Natural Science Foundation of China(21703050);Key Program of Research and Development of Hefei Science Center, CAS(2018HSC-KPRD002)

摘要:

天然气作为一种低碳清洁能源, 其储量大, 价格低, 被认为是最有前途的石油替代资源之一. 而以天然气的主要成分——甲烷为原料来生产高价值化学品被认为是石化工业中实现天然气取代石油为原料新化工路线的技术基础, 具有极为可观的社会经济价值. 目前甲烷的化学利用主要采用间接转化法, 即先从甲烷制合成气, 再由合成气制备各种化工原料和油品. 但该路线流程复杂, 能耗大, 生产成本高及投资大, 具有明显的局限性, 这促使着人们不断探索能量效率更高的甲烷直接转化技术.
甲烷氧化偶联(OCM)是最重要的甲烷直接转化技术之一. 自1982首次报道以来, 人们开发了1000多种OCM催化剂, 涉及元素超过68种, 但C2烃类(乙烷和乙烯)的收率普遍低于30%, 尚未实现工业化. 传统研究认为, OCM反应遵循“多相-均相”催化反应机理, 甲烷在催化剂表面活化产生甲基自由基后, 在气相中进行偶联生成乙烷和乙烯等产物. 由于高温下甲基自由基很容易脱附到气相, 传统的OCM催化剂一般只在甲基自由基的产生这一步发挥作用. 而随后在气相中发生的甲基自由基均相反应并不受催化剂控制, 在热力学驱动下, 会倾向于深度氧化生成CO2等副产物, 因此OCM反应中C2的收率上限为25%-28%. 理论上来说, 只有当催化剂能够在甲基自由基偶联这一步发挥作用时, C2物种的收率才可能打破上限, 但目前尚未有催化剂实现甲基自由基可控表面偶联.
本文提出并证实5wt% Na2WO4/SiO2(5NaWSi)具有催化甲基自由基表面偶联的能力. 在低温下, 5NaWSi本身对于OCM没有催化活性, 但是它的加入能够显著提高La2O3催化剂的C2选择性, 进而提高C2收率, 使其在570 ºC的低温下即可达到10.9%的C2收率. 在La2O3和5NaWSi之间加入一层甲基自由基淬灭剂——石英砂, 这种提升作用随即消失, 表明甲基自由基在5NaWSi上的表面偶联可能是C2选择性和收率提升的主要原因. 本文进一步采用同步辐射光电离质谱技术原位检测了反应过程中的自由基中间体, 结果发现, La2O3表面产生的甲基自由基确实可以在5NaWSi表面进行偶联, 进而提高C2的选择性和收率. 通过对5NaWSi的组成和结构进行分析, 发现5NaWSi中的Na2WO4纳米团簇可能是甲基自由基偶联的活性位点, 该位点不仅具有很强的甲基自由基吸附能力, 为甲基自由基表面偶联提供机会, 同时不会深度氧化C2物种, 有效地提高了C2选择性. 以此为基础建立理论模型, 我们通过DFT计算对甲基自由基在5NaWSi表面的偶联机制进行了研究. 结果表明, 5NaWSi对甲基自由基具有很强的吸附能力, 而吸附后的甲基自由基更倾向于偶联生成C2产物, 而不是β-H消除生成HCHO等副产物, 表明5NaWSi确实是很好的甲基自由基表面偶联催化剂. 甲基自由基表面偶联的证实为OCM催化剂的开发开辟了新方向. 从双功能催化剂设计的角度出发, 将OCM反应分解成甲烷活化和甲基自由基偶联这两个部分, 并分别针对这两个部分来筛选和优化催化剂, 将有望突破C2收率上限, 进而推进OCM的工业化进程.

关键词: 甲烷氧化偶联, 双功能催化, 甲基自由基, 表面偶联, La2O3, Na2WO4/SiO2

Abstract:

Selective coupling of methyl radicals to produce C2 species (C2H4 and C2H6) is a key challenge for oxidative coupling of methane (OCM). In traditional OCM reaction systems, homogeneous transformation of methyl radicals in O2-containing gases are uncontrollable, resulting in limited C2 selectivity and yield. Herein, we demonstrate that methyl radicals generated by La2O3 at low reaction temperature can selectively couple on the surface of 5 wt% Na2WO4/SiO2. The controllable surface coupling against overoxidation barely changes the activity of La2O3 but boosts the C2 selectivity by three times and achieves a C2 yield as high as 10.9% at bed temperature of only 570 °C. Structure-property studies suggest that Na2WO4 nanoclusters are the active sites for methyl radical coupling. The strong CH3· affinity of these sites can even endow some methane combustion catalysts with OCM activity. The findings of the surface coupling of methyl radicals open a new direction to develop OCM catalyst. The bifunctional OCM catalyst system, which composes of a methane activation center and a CH3· coupling center, may deliver promising OCM performance at reaction temperatures below the ignition temperature of C2H6 and C2H4 (~600 °C) and is therefore more controllable, safer, and certainly more attractive as an actual process.

Key words: Oxidative coupling of methane, Bifunctional catalysis, Methyl radicals, Surface coupling, La2O3, Na2WO4/SiO2