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學(xué)者利用載氧體構(gòu)建新策略實(shí)現(xiàn)甲烷高效制烯烴
作者：朱漢斌 來(lái)源：中國(guó)科學(xué)報(bào)
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近日，中國(guó)科學(xué)院廣州能源研究所廢棄物處理與資源化利用研究室副研究員趙坤，聯(lián)合美國(guó)北卡羅萊納州立大學(xué)、華東理工大學(xué)、美國(guó)里海大學(xué)等研究團(tuán)隊(duì)，利用載氧體構(gòu)建新策略實(shí)現(xiàn)甲烷高效制烯烴。相關(guān)成果發(fā)表于《自然-通訊》。
該研究報(bào)道了一種在以碳酸鋰（Li2CO3）修飾的具有氧化還原活性的復(fù)合稀土金屬氧化物催化作用下，實(shí)現(xiàn)低溫高效化學(xué)鏈甲烷氧化偶聯(lián)制烯烴的方法。該催化劑在700℃下單程C2+收率高達(dá)30.6%，且在甲烷分壓高達(dá)1.4 atm的條件下仍能表現(xiàn)出穩(wěn)定的性能。 
甲烷氧化偶聯(lián)（OCM）技術(shù)可在自熱條件下通過(guò)一步反應(yīng)將甲烷轉(zhuǎn)化為高附加值烯烴或烷烴（C2+），是催化中的“圣杯反應(yīng)”。但經(jīng)過(guò)近40年的研究，常見(jiàn)的OCM催化劑Li/MgO和Na/Mn/W/SiO2等始終無(wú)法解決反應(yīng)過(guò)程中C2+單程收率較低（<30%）、反應(yīng)溫度較高（>800°C）及甲烷反應(yīng)氣分壓較低（<1 atm）等難題。
該工作通過(guò)化學(xué)鏈循環(huán)的方式，構(gòu)建了系列碳酸鋰負(fù)載的復(fù)合稀土金屬氧化物作為載氧體催化劑，有效抑制氧氣直接作為氧化劑導(dǎo)致的甲烷過(guò)度氧化反應(yīng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)甲烷氧化偶聯(lián)高效制備C2+。通過(guò)原位表征手段與量子化學(xué)計(jì)算，發(fā)現(xiàn)復(fù)合稀土氧化物中的Pr4+可誘導(dǎo)催化劑表面產(chǎn)生過(guò)氧化物活性中間體并演變成活性羥基自由基，實(shí)現(xiàn)高效C-H鍵活化和C-C鍵偶聯(lián)。 
該研究建立了Li2CO3負(fù)載的復(fù)合稀土金屬氧化物中Pr的氧化態(tài)與C2+收率之間的普遍相關(guān)性，為甲烷氧化偶聯(lián)反應(yīng)中的氧化還原催化劑構(gòu)建提供了理性設(shè)計(jì)思路。在此基礎(chǔ)上，原料氣還可以拓展至生物沼氣、垃圾填埋氣、煤層氣等資源的高值化利用。
相關(guān)論文信息：https://www.nature.com/articles/s41467-023-43682-5
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