日前，記者從中國科學院大連化學物理研究所獲悉，該所包信和院士團隊基于納米限域催化的新概念，創(chuàng)造性地構建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑，成功實現(xiàn)了甲烷在無氧條件下選擇活化，一步高效生產(chǎn)出乙烯、芳烴和氫氣等高附加值化學品。相關成果發(fā)表在5月9日出版的《Science》雜志上，相關的PCT（專利合作條約）專利申請已進入美國、俄羅斯、日本、歐洲和中東等國家和地區(qū)。

    與天然氣轉(zhuǎn)化的傳統(tǒng)路線相比，該研究徹底摒棄了高耗能的合成氣制備過程，大大縮短了工藝路線，反應過程本身實現(xiàn)了二氧化碳的零排放，碳原子利用效率達到100%。
 

    迄今為止，天然氣的轉(zhuǎn)化利用通常采用兩步法。首先，在高溫條件下通過混合氧氣、二氧化碳或水蒸氣，將天然氣中的甲烷重整為含一定比例一氧化碳和氫氣的合成氣。隨后，或采用費托合成方法，在特定催化劑上將合成氣轉(zhuǎn)化為高碳烴類分子（油品和基礎化學品等）；或先由合成氣制備甲醇，再經(jīng)微孔分子篩催化劑脫水，生產(chǎn)烯烴和其他化學品。
 

    傳統(tǒng)的甲烷轉(zhuǎn)化路線冗長，投資和消耗高。尤為突出的問題是，采用氧分子作為甲烷活化的助劑或介質(zhì)，不可避免地會形成和排放大量二氧化碳，不但影響生態(tài)環(huán)境．總碳利用率通常不會超過一半。因此，人們一直都在努力探索天然氣直接轉(zhuǎn)化利用的有效方法與過程。
 

    具有四面體對稱性的甲烷分子是自然界中最穩(wěn)定的有機小分子，它的選擇活化和定向轉(zhuǎn)化是一個世界性難題，被譽為是催化乃至化學領域的“圣杯”。甲烷分子C-H鍵的有效活化通常都需要采用強氧化劑（如強酸等）或高溫氧原子，甚至要有強烈的外場（如等離子體、微波和激光等）輔助。由于這類方法存在效率低下、化學選擇性差和環(huán)境不友好等缺陷，目前還沒有真正實現(xiàn)工業(yè)化生產(chǎn)的實例。
 

    在20多年甲烷催化轉(zhuǎn)化研究的基礎上，包信和團隊將具有高催化活性的單中心低價鐵原子通過兩個碳原子和一個硅原子鑲嵌在氧化硅或碳化硅晶格中，形成高溫穩(wěn)定的催化活性中心；甲烷分子在配位不飽和的單鐵中心上催化活化脫氫，獲得表面吸附態(tài)的甲基物種，進一步從催化劑表面脫附形成高活性的甲基自由基，隨后在氣相中經(jīng)自由基偶聯(lián)反應生成乙烯和其他高碳芳烴分子，如苯和萘等。當反應溫度在1090℃，每克催化劑每小時流過的甲烷為21升時，甲烷的單程轉(zhuǎn)化率達48.1%，產(chǎn)物乙烯、苯和萘的選擇性大于99%，其中乙烯的選擇性為48.4%。在60小時的壽命評價過程中，催化劑保持了極好的穩(wěn)定性。
 

    目前，國內(nèi)外多家能源和化學公司都對這一產(chǎn)業(yè)變革性技術表現(xiàn)出了濃厚的興趣，希望能優(yōu)先合作。