《基於分子氧還原活化的甲烷低溫直接催化轉化》是依託復旦大學，由曹勇擔任項目負責人的重大研究計畫。
基本介紹
- 中文名：基於分子氧還原活化的甲烷低溫直接催化轉化
- 依託單位：復旦大學
- 項目類別：重大研究計畫
- 項目負責人：曹勇
項目摘要,結題摘要,
項目摘要
以甲烷為主要成分的碳資源儲量極其豐富，被認為是“後石油時代”的重要替代資源。本項目旨在尋求和發展甲烷直接轉化新途徑和新策略。擬以探索和開發甲烷直接制甲醇新工藝為目標，篩選和創製高性能催化體系；針對甲烷直接轉化制甲醇及甲酸甲酯等高值化學品，探究本研究團隊近年發展的具有“金屬”及“表面酸/鹼”等多活性位集成的複合催化材料的活性和選擇性變化規律；建立以分子氧還原活化的甲烷直接制高值化學品的催化體系，研究其中的催化物理化學特點。系統認識催化劑表面多活性中心微/納尺度上的協同/集成與甲烷直接制甲醇活性、選擇性和穩定性的關係，催化體系中金屬分散狀態和金屬-載體相互作用與甲烷活化或選擇氧化反應的活性、選擇性和穩定性的關係。明確相關催化反應體系的催化活性和選擇轉化作用的機理，拓展催化劑設計理念，發現和創製甲烷增值利用的高效催化體系，為發展相應催化新技術提供理論指導和科學基礎。
結題摘要
本項目遵循採用分子氧（O2）還原活化策略實現甲烷低溫直接轉化總體思路，重點圍繞具有“金屬”及“表面酸/鹼”等多活性位集成的複合催化材料的構建、O2還原活化制過氧化氫（H2O2）及甲烷與相關烴類化合物低耗直接轉化等核心科學問題開展深入研究。在揭示並闡明相關功能材料催化O2還原活化制H2O2及後續甲烷及相關烴類直接羥化等過程的性能調控規律、反應機理和相關體系中金屬-載體協同作用機制等方面進行了探索。針對O2還原活化制H2O2，發展了基於甲酸（HCOOH）及甲酸鹽等為還原劑的高效H2O2直接合成體系，可有效避免傳統氫氧直接合成面臨的安全性低及與後續選擇氧化反應直接集成困難等缺點。發展了TiO2等氧化物負載Au高效金屬催化劑，通過金屬與載體相互作用的調控，實現了在無外源助劑溫和條件下以O2為氧源的H2O2直接清潔合成，H2O2合成效率高達665 h-1。針對甲烷等低碳烴在O2/HCOOH體系中的直接選擇氧化，設計合成了Au/TiO2與鈦矽分子篩的高效複合催化材料，兩種組元間的協同作用（Au/TiO2組元的H2O2直接合成，鈦矽分子篩組元的H2O2活化與甲烷轉化）可有效活化O2、HCOOH與甲烷等分子，加快反應速率，獲得高達7.7 mmolCH3OH(KgAuh)-1的初始甲醇合成速率。針對苯等重要芳烴基本化工原料的直接臨氧轉化，設計合成了僅基於Au/TiO2的簡單負載金屬催化劑，通過調控相關催化劑的表面酸鹼特性、結構組成和H2O2生成與後續轉化路徑分析，高選擇性獲得收率達6%的苯酚產物，催化劑可多次連續使用不失活，具有較好的穩定性。上述利用O2還原活化策略實現甲烷低溫直接制甲醇等若干臨氧催化轉化新體系的建立與發現，不僅開創了H2O2直接合成的新方法，對甲烷等碳基資源的低耗增值利用以及進一步發展相關環境友好新工藝可望起到良好的推動作用。
