邓德会EnergyChem:温和条件下C1分子的催化转化

雨辰

2021-01-11

以甲烷、一氧化碳、甲醇和二氧化碳转化为基础的C1催化为燃料和化学品的可持续生产提供了巨大的潜力，以应对能源消耗的减少和工厂维护。C-H和C-O键（例如甲烷和二氧化碳）相对惰性，并且C-C键不可控地偶联使C1分子选择性活化和可控转化为高附加值产品，在C1化学中具有挑战性。C1能量分子在温和条件下的催化转化能够更好地控制所需产物的选择性，但是，这需要高活性催化剂来降低反应能垒。除了设计有效的催化剂来促进C1分子转化外，利用电催化和光催化来克服热力学限制被认为是在低温下C1催化的有前途的方法。得益于先进的催化剂合成技术，反应器设计，机理理解，在温和条件下C1分子的催化转化，从2010年到2020年取得了重大进展。

有鉴于此，中国科学院大连化学物理研究所邓德会研究员等人，综述了在热催化、电催化和光催化作用下，将甲烷、一氧化碳、甲醇和二氧化碳在200℃以下的反应温度下转化为高附加值化学品的典型催化过程和代表性催化剂。并对未来温和条件下C1分子转化的研究方向进行了展望。

本文要点

1）C1（甲烷、一氧化碳、甲醇、二氧化碳等）的催化转化在煤、天然气、生物质等碳基能源的转化利用中发挥着重要的作用。为了提高转化效率，目前工业过程多采用高温、高压等苛刻反应条件，然而这同时也导致了反应能耗的增加和不必要副产物的产生。温和条件下碳一分子催化转化过程不仅能降低反应的能耗，还能更好地控制目标产物的选择性，一直是学术界和工业界追求的目标。

2）甲烷作为一种丰富且相对廉价的原料，在化学工业和能源工业中发挥着重要作用。但高的单键C-H键强度（ΔH = 104kcal/mol）和完美的四面体对称性使甲烷的活化具有挑战性。此外，目标产物（例如，C1含氧化合物）的反应性比甲烷分子的反应性高得多，因此很容易导致连续转化，例如在甲烷的作用下深度氧化为二氧化碳。一氧化碳作为C1催化中重要的平台分子，在FT合成和WGS反应的商业催化过程中得到了广泛的研究。

3）甲醇作为重要原料，参与许多重要的工业反应，例如MSR，甲醇转化为烯烃，被认为是清洁氢气生产的重要方法，但抑制副产品一氧化碳和提高低温活性仍是主要挑战。已经发现，铜基催化剂对低温MSR具有高活性，但会严重失活。

参考文献：

Xiaoju Cui et al. Catalytic conversion of C1 molecules under mild conditions. EnergyChem, 2021.

DOI: 10.1016/j.enchem.2020.100050

https://doi.org/10.1016/j.enchem.2020.100050