金属-分子筛体系单活性中心多相催化剂的基础研究及其在甲烷低温选择氧化的应用

Direct conversion of methane to oxygenates such as methanol has a great economic and environmental impact on the utilization of conventional and non-conventional natural gas. Although this area has been extensively studied for the past decades, the progress is far from reaching the point of commercial interest. Recent advancement in low temperature conversion of methane on zeolite supported Cu catalysts showed the potential to significantly increase the oxygenate yields. Here we propose to systematically study the roles of metal, ligand, local environment on the structures and functions of metal and metal clusters. We particularly focus on the understanding of the nature of active sites for direct methane oxidation and mechanisms involved in methane oxidation using advanced characterizations and theoretic calculations. At the end of project, we anticipate to provide the essential scientific basis required for the rational design of zeolite supported metal catalyst for selective oxidation of methane with improved selectivity and catalyst life.

甲烷直接选择氧化制甲醇对于合理开发和充分利用天然气资源具有重要的经济和环境意义。鉴于目前甲烷直接选择催化氧化制甲醇过程反应效率低、缺乏从微观分子水平上指导催化剂设计的理论支撑等问题，本项目拟开展用于甲烷低温选择氧化制甲醇金属-分子筛体系单活性中心多相催化剂的基础研究。项目拟从金属-分子筛体系单活性中心多相催化剂的结构调控入手，辅以表面微化学环境调变，结合理论计算模拟研究，探究分子筛孔道限域及周围微化学环境对催化活性中心结构和性质的影响规律，系统考察催化活性中心结构和性质与甲烷选择氧化制甲醇催化性能的关联，阐明金属-分子筛体系中催化活性中心的本质、甲烷活化及甲醇生成等过程的微观机制，为甲烷选择氧化制甲醇性能的提高及催化剂的设计提供科学依据。

甲烷直接选择氧化制备碳一平台分子（甲醇、甲醛、CO等）是有效利用天然气资源的理想途径之一。本项目针对该过程中反应效率低、易于深度氧化为CO2等问题，研究了甲烷活化高选择性制取目标产物的控制机制。选择的模型体系为金属-分子筛及氮化硼催化剂。研究的重点是考察两种催化剂的结构调控、甲烷选择性氧化的反应性能及过程机制。通过本项目研究，取得如下主要进展和成果：.（1）提出金属-分子筛催化剂体系结构调控的方法，通过探究金属活性物种、分子筛结构和酸性质、催化剂制备方法、制备条件等因素对催化性能的影响，为高活性催化剂的合成提供指导。.（2）提出Cu基分子筛催化剂的活性中心与分子筛中Al3+离子环境的关联，发现分子筛骨架内的Al3+离子对含量和催化剂的活性成正相关的规律，为Cu基分子筛催化剂的设计提供理论指导。.（3）探索氮化硼催化剂应用于丙烷选择氧化过程，对裂解产生的甲基自由基提出了可能的反应路径，为低碳烷烃选择氧化催化剂的研发提供新的方向。