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我科學(xué)家實現(xiàn)高選擇性制造乙烷和氫氣

發(fā)布時間:2022-05-25 15:29:00來源: 光明網(wǎng)-《光明日報》

  本報合肥5月24日電(記者丁一鳴通訊員王敏)中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授、龍冉教授研究團隊與楊金龍院士團隊付岑峰副研究員、南京大學(xué)鄒志剛院士團隊姚穎方教授合作,創(chuàng)新了光催化甲烷無氧偶聯(lián)的催化劑設(shè)計,實現(xiàn)了高選擇性制備乙烷和氫氣,效率達(dá)到中溫?zé)岽呋淄闊o氧偶聯(lián)水平。研究成果日前發(fā)表于《自然·通訊》。

  甲烷是天然氣、可燃冰、沼氣等的主要成分,廣泛分布于自然界。如何將儲量巨大的甲烷資源轉(zhuǎn)化為具有更高經(jīng)濟附加值的燃料或化工產(chǎn)品,具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。

  光催化甲烷無氧偶聯(lián)方法可以在溫和條件下將甲烷直接轉(zhuǎn)化,同時獲取多碳烴類和氫氣,是一條極具吸引力的途徑。

  熊宇杰介紹:“一方面,光催化甲烷無氧偶聯(lián)方法無須通過成熟的甲烷重整和費托合成的兩步間接轉(zhuǎn)化法,避免了流程復(fù)雜、能耗大、生產(chǎn)成本高的缺點;另一方面,該方法無須使用苛刻反應(yīng)條件,避免了甲烷過度氧化生成大量二氧化碳等副產(chǎn)物?!?/p>

  目前常用于甲烷無氧偶聯(lián)的光催化劑,主要是金屬氧化物半導(dǎo)體材料。熊宇杰表示:“該光催化劑中的晶格氧原子,極易將甲烷過度氧化,所以依然會產(chǎn)生部分一氧化碳、二氧化碳等副產(chǎn)物,并導(dǎo)致催化劑完全失活。”

  為解決該問題,熊宇杰和龍冉團隊提出通過單原子配位負(fù)載的方法來調(diào)控光催化劑的價帶電子結(jié)構(gòu),形成了極為穩(wěn)定的單原子和晶格氧的配位結(jié)構(gòu),避免晶格氧原子直接參與光催化甲烷無氧偶聯(lián)反應(yīng),從而在提高光催化甲烷無氧偶聯(lián)性能的同時,降低甲烷的過度氧化程度。

  基于該策略,研究團隊實現(xiàn)了每克催化劑每天產(chǎn)生0.7克乙烷,其選擇性達(dá)到94.3%,同時還能產(chǎn)生同比例的氫氣。研究人員進(jìn)一步通過元素?fù)诫s的方法,提高了催化劑中晶格氧的穩(wěn)定性,進(jìn)而延長催化性能的穩(wěn)定性,為發(fā)展高效光催化甲烷無氧偶聯(lián)催化劑提供了新的思路。

  審稿人認(rèn)為:“該工作使得以光催化路徑將甲烷轉(zhuǎn)化為乙烷成為可能,展示了單原子催化劑的魅力?!?/p>

(責(zé)編: 常邦麗)

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