天然气及合成气高效催化转化的基础研究

项目名称：天然气及合成气高效催化转化的基础研究首席科学家：包信和起止年限：2005.12至2010.11依托部门：中国科学院一、研究内容总体设想本项目主要研究甲烷（组成天然气的主要成分）的高效活化和定向转化、由天然气或煤制备得到的合成气（CO2和H2）的选择转化及其催化科学和技术发展涉及的重要基础问题。关键科学问题集中在：高对称性分子（如甲烷等）中碳氢键（C－H）的控制活化和选择转化规律、合成气转化的费-托过程的控制规律和产物分布的调控机理、催化反应的偶合机理和工艺、结构导向的催化剂制备科学和技术、催化反应中间体的捕获、鉴定和催化过程的原位、动态表征等。拟解决的关键科学问题具有高度对称性的甲烷分子是自然界中最为稳定的有机分子之一，它的活化和转化需要相当苛刻的条件。研究表明，甲烷选择氧化最关键的问题不仅仅是活化，更重要的是对生成的较活泼产物进一步氧化的有效抑制。从基础研究的角度看，目前人们对甲烷和烷烃活化和转化的催化活性位结构、活性位作用机理、活性氧物种、反应中间体及其转化动态学等科学问题的认识深度还不够，远未达到能够控制活化和选择转化的要求。因此甲烷和低碳烷烃的选择氧化被看作是C-H键活化的“圣杯”，被公认为催化乃至整个化学研究领域最具挑战性的研究方向之一。1997年，美国化学会联合4家相关协会在所撰写的“2020催化前瞻报告”(Vision2020CatalysisReport)中将烷烃活化和选择氧化列在“催化研究路线图——技术目标”（”RoadmapforResearchonCatalysis—TechnicalTargets”）的前两位。合成气催化转化机理的基本科学问题，如CO的吸附活化模式、控制链引发、链增长（C-C键的形成）和链终止（产物形成）的关键因素等仍然不明确或尚存在争议，亟待深入研究。同时这些问题又与催化剂中的各组分，包括活性金属、载体以及助剂的作用的本质密切相关。具体而言，活性金属粒子的类型、尺寸、分散度、可还原性对反应性能的影响，载体的孔道效应（限域效应、择形效应等），和助剂的促进作用等都与上述有关反应机理的问题相关。这些因素对反应机理中的具体步骤产生影响，从而影响反应活性以及产物的类型和分布。因此这些问题的解决对于合理解释合成气催化转化过程的复杂影响因素和可控产物分布的高效催化剂的设计、研制具有重要的指导意义。众多的研究结果表明，催化材料的构筑，包括活性组分的分散程度、活性中心结构、微环境、落位、载体的孔道结构等，能极大地影响其在甲烷和合成气转化反应中的活性和选择性。例如，最近的研究发现，催化材料中钴颗粒的大小不仅明显改变F-T合成反应的活性而且改变产物选择性。粒子大小有可能对链增长、链终止等基元反应步骤产生影响。如限域在分子筛孔道中的1.3nm的钴的不仅反应活性高且不生成C20以上产物，相反10nm的钴的C20以上产物占20%。从反应机理层次上看，针对催化材料中活性中心结构及其所处环境是如何影响反应的基元步骤、主导反应途径并进而控制反应的活性和选择性的研究还不成熟。要开展该方面的深入研究，首先必须建立可控活性位结构、活性相大小和微环境的催化材料的制备方法。综上所述，本项目着重针对下述问题进行研究。(1)基于纳米科学和技术的结构导向新催化材料的制备新催化过程和新催化材料的发展始终是催化科学和技术发展的基础和重要驱动力。甲烷和低碳烷烃催化转化中涉及到高温反应和选择性受热力学限制等问题。这些难题的解决必须依靠新过程的发展和新材料的创新。近年来，纳米技术以及纳米粒子独特的物理和化学特性引起了广泛的重视，在各个不同领域中涉及到“纳米”的研究得到了非常迅速的发展。事实上，催化研究在它的一开始就广泛涉及到纳米尺度问题。人们很早就已经发现，催化反应往往不能在整体（Bulk）金属表面发生，而催化问题也不是一个单分子或单原子问题。早期的概念认为，催化作用的活性单元是几个或多个原子组成的原子簇的集合。另一方面，在现今使用的催化剂担体中，具有规整孔结构的分子筛占有了非常重要的位置。这种分子筛根据原料配比和合成方法的不同，其有效孔径可以从十分之几nm到几十甚至几百nm之间调变。在这些具有特定结构的纳米孔道中发生的催化反应具有非常独特的特性，如区位选择性、分子择形性等。随着近年来人们对纳米粒子特性认识的加深以及相关学科的发展，催化研究工作者敏锐地认识到，纳米技术以及纳米概念与催化的结合将是催化科学与技术发展的一个巨大机遇。现在人们已清楚地认识到，催化中的纳米粒子与体相金属相比，除了有较大的暴露表面和不同的原子结构组合外，在电子和分子轨道性质上还应该存在着由于粒子尺寸直径降低而产生的量子效应。这一概念将在认识催化原理、发展催化理论乃至开发新催化剂中发挥重要的作用。为此，本项目将针对甲烷活化的高温反应特性和合成气转化的高选择性的特点，投入足够的力量研究开发包括纳米负载的强酸性催化材料、高温催化材料、多孔催化材料以及膜分离和膜催化材料等在内的新技术。(2)甲烷和合成气转化过程的原位表征及动态反应理论催化活性中心是具有活性的原子、分子或由其组成的集合体。反应过程中催化剂活性集团的动态变化是对催化反应至关重要的。然而，目前新催化剂的创制主要还是依靠经验对大量催化材料进行筛选。而且依据静态研究结果建立的催化理论很难正确地指导催化剂设计。因此，从原子、分子水平上了解催化反应机理，特别是探讨催化反应途径中生成的反应中间体的结构及其转化动态学，以及催化剂的特性与催化剂的结构和组成的内在联系，显得十分重要。这就必须注重应用和发展能够在催化过程发生的“现场条件”下起作用、并具有“时间分辨”功能的表征手段和动态理论，为开发新催化剂和改良现有催化剂提供更深刻的理论认识。它们包括：发展和完善毫秒、微秒量级的结构灵敏的表征手段，测定反应条件下催化剂和中间体的结构随反应进程的变化，实现真实催化过程二维或三维特性的现场表征，尤其是催化中间态的结构和反应动力学，并充分利用我国已发展的同步幅射装置，进行催化剂结构的XAFS分析，以发展和完善甲烷等小分子催化活化的动态反应理论。(3)催化反应过程的理论模拟和反应动力学描述催化科学的进展不仅取决于新催化材料研制和新实验技术的应用，还需要借助以量子化学为主的理论方法，解释和分析实验结果，进而阐明催化作用的本质。近年来理论化学的快速发展以及可用于大规模计算的超级计算机的应用，使得较精确地处理复杂的催化体系成为可能。针对低碳烃优化利用的若干前沿问题，我们将采用以量子化学为主的理论方法，结合分子动力学（MD）和MonteCarlo模拟手段，发展和完善簇模型方法，着重对低碳烃分子在有关催化剂体系和特定氧物种上的活化方式、转化途径以及非变价稀土等重元素氧化物上活性氧物种形成机理、稳定性和反应性能进行理论模拟；研究F-T合成中链的引发、增长和终止过程，考察活性金属、载体和助剂中有关因素对反应机理和产物分布的影响;关联均相、多相催化体系与理论模拟的研究结果，逐步建立低碳烃C-H键活化以及F-T合成碳链增长的理论模型，在分子层次上构思和设计高效的可调变的新催化材料。基于动力学的方法，结合催化反应动力学实验，求算基元反应速率常数和反应的扩散系数；描述反应过程、催化剂颗粒传递特征以及反应过程放大特性，实现由实验室数据到工业规模的放大；总结和分析所获得的实验和理论数据，建立并完善涵盖一些重要催化体系结构和物化参数的数据库，为新型催化剂的研制提供经验和理论基础。主要研究内容1999年立项的“973”“天然气、煤层气优化利用的催化基础”经近10个国内优势单位和近百名科研人员的共同努力，在天然气直接转化、合成气制液体燃料和化学品以及催化基础理论等方面取得了显著进展，得到了新近由科技部“973”专家顾问组组成的结题专家们的高度评价。本项目在已有成果的基础上，进一步凝炼研究目标，瞄准国民经济发展的重大需求和本学科发展的国际前沿科学问题进行深入系统的研究。主要研究内容包括天然气制备合成气及大规模制氢和CO2捕获基于合成气和天然气燃料的高温燃料电池、合成气的高效转化、天然气直接转化等过程的催化基础科学问题。1.甲烷直接高效转化基于国内外的研究现状和对不同过程的经济评估结果的分析，结合我国国情和已结题的“973”项目研究成果，本项目确定的甲烷直接催化转化研究战略为：1.1.采用绝热和氧分布器技术的甲烷部分氧化反应努力完善已有较好积累并可能在近年内产生巨大经济效益的采用绝热和氧分布器技术的甲烷部分氧化反应制备廉价合成气过程。在充分研究和认识催化剂活性位和反应机理的基础上，着重解决该过程中存在的催化材料高温反应条件下不稳定和催化剂积炭失活等关键问题，从而克服进行大规模工业化所面临的障碍，与膜分离工艺集成，解决大规模制氢以及CO2捕获和处理中的关键基础问题；1.2甲烷氧化偶联与无氧芳构化在热力学和动力学上的耦合在现有成果的基础上，深入研究由我国科学家自行开发的甲烷无氧活化制芳烃新催化剂体系和具有重要理论和应用意义的甲烷氧化偶联制乙烯过程，着重于对无氧芳构化与氧化偶联反应在热力学和动力学上的耦合研究，从理论上确立和完善耦合过程的科学基础，发展具有自主知识产权的甲烷高效转化的新过程，争取五年内通过模试，使该过程中芳烃单程产率达到有经济价值的15%以上的水平；1.3.非常规条件下甲烷直接高效活化转化探索非常规条件下甲烷直接高效活化转化新理论、新方法和新过程，前期工作主要集中在甲烷低温等离子活化制高碳烃和甲烷金属酶催化转化制含氧化合物以及熔盐和离子液体等介质存在下的甲烷活化转化过程；1.4.发展基于天然气或合成气燃料的高温燃料电池发展基于天然气或合成气燃料的高温燃料电池，实现天然气的高效利用。通过抗积碳固体氧化物燃料电池催化材料和管型固体氧化物燃料电池催化膜电极制备技术的研究，形成固体氧化物燃料电池发电系统的关键材料和关键部件的技术基础和固体氧化物燃料电池系统集成的核心技术，为开发分布式电站和先进能源系统提供理论基础和技术手段。2.合成气高效转化从经济角度考虑，今后的一段时间内，以甲烷部分取代石油作为化学工业原料和燃料首选的有效途径将是通过制取合成气（CO+H2）再进一步转化的间接方法，而且合成气还能方便地从煤炭经气化制得。因此，合成气高效、定向转化将成为一个适合国情而又非常迫切需要解决的问题，取得的成果亦将促进我国基于煤气化的多联产系统的发展。在已结题的“973”项目在合成气超临界方法制甲醇和合成气经二甲醚制低碳烯烃的基础上，本项目研究主要集中在从合成气出发：2.1.直接合成高品质液体燃料研制高活性、高选择性的双功能和多功能金属催化剂体系，运用先进的反应工程技术，制备无硫、无芳烃和重金属的高品质柴油，并在获取大量动力学数据的基础上，完成反应过程的软件包。研究工作的重点将集中在Co基催化剂体系、多孔材料载体和浆态床技术，着力于解决降低合成过程中生产甲烷的选择性和产物碳数分布的调控等问题，力争在该领域形成有自主知识产权的技术和工艺过程；2.2.直接转化制乙醇和其它含氧化合物这是一个非常有竞争力的课题。除了众多复杂的工程问题以外，相关过程能否走向工业化要解决的关键科学问题是调变和研制催化剂体系，发展新一代催化剂，提高过程的选择性。这些问题的最终解决依赖于从理论上对这些转化过程的完整了解。基础研究将针对上述过程，提炼和聚焦共性的关键科学问题，发展催化研究方法，促进催化理论，特别是C-H活化和高温催化理论的发展。二、预期目标总体目标和五年的预期目标本项目的总体目标是：通过以催化为核心的科学和技术的创新，将天然气和合成气高效就地转化为高值和便于输运的高品质液体燃料和化学品，并努力将成果推广到煤转化的相关过程。在天然气绝热过程制廉价合成气、基于膜分离的大规模制氢集成技术、合成气制乙醇和低碳混合醇过程和甲烷无氧芳构化与氧化偶联耦合技术等方面取得国际领先的技术并形成自主知识产权；在甲烷等低碳烷烃的碳氢键活化理论、费-托合成的产物调控机理和催化反应的原位、动态表征方法等方面获得突破，并得到国际同行的认可；在该研究相关的领域形成在国际上有重要影响并得到国际公认的研究团队。预计