甲烷活化与催化转化过程中的几个关键问题及对策

肖晓敏，曹学雨，吴新宇，耿豪杰，於思瑜，刘社田

(西南大学化学化工学院，重庆 400715)

甲烷是最简单的有机物，也是含氢量最大的烃，主要以天然气、页岩气、煤层气和甲烷水合物的形式存在。由于其在地壳中蕴藏量丰富，是短期内可以有效取代煤炭、石油的清洁能源和化工原料。甲烷作为化工原料可以生产有机材料、液体燃料及其它化学品。由于甲烷分子中氢含量远高于大多数化学品，脱氢是甲烷转化的关键步骤，甲烷转化为化学品可以副产大量的氢气。因此，甲烷也是氢能产业发展中值得特别重视的能源资源。通过提高甲烷的使用量，可以有效地降低二氧化碳的排放，有利于达成国家制定的碳达峰和碳平衡的能源战略目标。本文主要分析了实现甲烷活化和高效直接转化过程中的一些关键技术问题，主要包括临氧转化过程中的选择性氧化、脱氢低聚过程中的热力学平衡限制及催化剂稳定性等，并对其可能的解决途径进行了探讨。

1 甲烷活化与转化过程

甲烷分子拥有特殊的正四面体结构，其C—H键能达到439.4 kJ·mol-1[1]。这使得甲烷在常规条件下难以活化，通常需要在强酸强碱或高温条件下进行，且生成的产物活性或反应性能远高于甲烷，易进一步转化，导致目的产物选择性难以控制。这是从甲烷合成高附加值化学品所面临的核心挑战。

通常甲烷分子的活化需要催化剂的作用，活化机理可以分为以下三类：(1)C—H键与催化剂形成金属-碳σ键的中间体或最终产物；……