作者:姜天海 来源:《科学新闻》 发布时间:2015/3/9 15:14:23
选择字号:
包信和:“磨”出甲烷高效转化新突破

 

 
 
 
 
初见中国科学院院士、中科院大连化学物理研究所(下称大化所)研究员包信和时,距离2014科学之夜开幕还有40分钟。他从大连到北京参加中科院先导专项会议,会议一结束就早早赶到了盛典现场,当晚他还要乘坐9点多的飞机回大连。
 
接到采访邀请,他谦和地跟随《科学新闻》记者穿过狭窄的后排通道,随意地搬了两把椅子,坐在有些清冷的场外大厅。他告诉记者:“一定要真实地记录,不要抬高,不要吹嘘。”
 
但正是眼前这位平易近人又严谨到较真儿的科学家,带领团队成功实现了甲烷在无氧条件下选择活化,从而“一步”高效生产乙烯、芳烃和氢气等高值化学品。
 
此项成果获得了当晚颁发的“2014年度中国十大科技进展新闻”,他本人也入选“2014中国科学年度新闻人物”。
 
“一步到位”高效转化
 
以天然气替代石油生产液体燃料和基础化学品,一直以来都是学术界和产业界研发的重点。
 
但是天然气的主要成分——甲烷分子具有四面体对称性,不仅是自然界中最廉价的有机小分子,也是最稳定的。它的选择活化和定向转化一直是世界级难题,被称为催化乃至化学领域的“圣杯”。
 
因此,迄今为止天然气的转化利用还停留在传统的“二步法”,通常是先在氧分子作用下生成含氧的一氧化碳,然后再将氧原子脱除,在获得产物的同时放出大量二氧化碳。这样不仅高投资、高消耗,总碳利用率低,而且对生态环境也有一定影响。
 
如何“一步”高效转化利用?早在20年前,包信和就开始在这个问题上“钻起了牛角尖”。
 
1993年,大化所科学家在全球首次提出“在无氧条件下”进行碳氢键活化,避免活化的碳物种与氧气结合形成二氧化碳。这种“无氧活化”的概念引发了全球四五十个研究组的跟风潮。
 
两年后,包信和开始带着团队进行“无氧活化”的攻坚。当时,他们选择的钼和分子筛催化剂,主要产物是苯,期间曾获得国家973计划的支持。但是,反应的效率和催化剂失活等问题一直没能得到解决。
 
15年过去了,最初饶有兴趣的四五十个全球课题组只剩下了不到十个,这个热门方向也变成了无人问津的冷板凳。但包信和仍然坚定地坐在这板凳上。
 
“我们当时也考虑再做下去会影响学生发文章和毕业,所以后来基本上都是博士后和我们继续研究,但是我们没有放弃。”包信和说,“因为我知道中国人自己创新出一个化学过程有多难。既然最初‘无氧活化’的概念是中国人提出的,而且原理上是可行的,我们就觉得,有没有可能真正做出一些突破。”
 
就是这样一直不厌其烦地“磨”,2010年,一个偶然的机会,单中心铁催化剂蹦上了他们的选择清单。
 
“打断甲烷的稳定C-H键其实并不是很难,在氧气作用下打断后很容易变成二氧化碳,最难的是如何高选择性地打断,得到我们需要的产物。全球科学界探索出很多方法,我们现在这个只是看上去比较高效的一种转化方法。”包信和说。
 
经过四年多的努力,这个拥有8名科研人员的催化剂开发团队,终于基于“纳米限域催化”的新概念,创造性地构建了硅化物晶格限域的单中心铁催化剂,成功实现了甲烷在无氧条件下选择活化,“一步”高效生产乙烯、芳烃和氢气等高值化学品,选择性大于99%。
 
2014年5月9日,这项与国内包括上海光源在内的多家团队合作的科学成果发表在美国《科学》杂志上。
 
广阔的产业应用前景
 
产业界对这项成果表现出极大的兴趣,因为除了碳氢键活化的基础研究突破外,该项技术的应用前景也非常广阔。
 
这是一项“即将改变世界”的新技术,未来的推广应用将为天然气、页岩气的高效利用开辟一条全新的途径,德国巴斯夫集团副总裁穆勒表示。
 
与传统的“二步法”天然气转化路线相比,这项技术彻底摒弃了高耗能的合成气制备过程,大大缩短了工艺路线,反应过程本身实现了二氧化碳的零排放。
 
中国科学院院士何鸣元评价说,该技术“是符合理想的高选择性转化,实现了原子经济反应,而且催化剂稳定,可较长周期运行,无碳排放,极具创新性和引领作用”。
 
北京大学纳米科学与技术研究中心主任、中国科学院院士刘忠范也指出,这项技术为高效利用丰富的天然气和页岩气资源,在中国形成具有原创知识产权的甲烷绿色转化新技术奠定了理论基础。
 
尽管学术界和产业界已经看到了这项研究的巨大潜力,但包信和指出:“我不敢说这项技术未来一定可以大规模产业化,这只是目前基础研究方面的一个进展,有应用的背景,但是走向应用还有化学、化工和工艺设备等诸多问题要解决。”
 
但业界的不少企业已经在摩拳擦掌。据了解,目前这项技术相关的专利申请已进入美国、俄罗斯、日本、欧洲等国家和地区,国内外多家能源和化学公司都对这一产业变革性技术表现出极大的兴趣。
 
当我们问到包信和下一步的目标时,他坚定地说,希望下次再接受你们采访时,不是因为“科学新闻”,而是因为“科技和应用成果”。■
 
(包信和,中国科学院院士,中科院大连化学物理研究所研究员。2014年5月,包信和团队在《科学》上发表文章称,基于“纳米限域催化”新概念构建的硅化物晶格限域的单中心铁催化剂,可实现甲烷在无氧条件下的选择活化,从而一步生产乙烯、芳烃和氢气等高值化学品。反应过程实现了二氧化碳的零排放,摒弃了高耗能的合成气制备过程,使碳原子利用效率达到100%。)
 
《科学新闻》 (科学新闻2015年2月刊 封面)

 

 
 打印  发E-mail给: 
    
 
以下评论只代表网友个人观点,不代表科学网观点。 

2015/3/9 21:49:04 yetech
"反应过程本身实现了二氧化碳的零排放" ,这句话比较谦虚,是指反应过程,应该没有包括整个工艺,甲烷无氧活化本身是吸热过程,反应温度很高,自然需要外界提供能量才能维持较高反应温度,因此需要燃烧大量甲烷以促进甲烷无氧活化,因此,“反应过程实现了二氧化碳的零排放,摒弃了高耗能的合成气制备过程,使碳原子利用效率达到100%”说法存疑。个人觉得,该过程无法实现工业化,因为高温时产物乙烯很容易结焦,防止结焦需要添加大量稀释剂氮气或水蒸气(可注入硫化物,但铁容易中毒),进一步导致能耗极大,成本(含分离)非常高,欢迎探讨和切磋。
目前已有1条评论
相关新闻 相关论文

图片新闻
蛟龙号深海载人潜水器“升级换代”后亮相 我国成功发射第四十四颗北斗导航卫星
最有效疟疾疫苗将大规模测试 非洲最大食肉哺乳动物犬齿似香蕉
>>更多
 
一周新闻排行 一周新闻评论排行
 
编辑部推荐博文
 
论坛推荐