页岩气开采导致了低碳烷烃产量持续增加。鉴于运输成本与液化成本的考虑，将这些碳氢化合物低排放、低能耗地转化为高价值液体燃料和商用化学品，对便捷就地储存和利用具有重要意义。通常需要高温高压条件（200-600℃，5-50个大气压）来转化低碳烷烃。比如，乙烷和丙烷脱氢/裂解制备烯烃或将低碳烷烃部分氧化为醇类，往往需要集中的大规模化工设备，但这不适于分散的、远距离的油气田产出的低碳烷烃的开发与利用。另外，虽然也有亲电性金属阳离子在稍温和条件下（110-220℃，10-35个大气压）活化低碳烷烃的报道，但需使用腐蚀性溶剂（如焦硫酸或三氟乙酸）且需要额外的水解步骤（将酯转化为醇），增加了制备成本。
鉴于以上挑战，陆奇团队开发了一种高活性金属铜催化剂，在室温和常压下，以氧气作为氧化剂将这些低碳烷烃转化为相应的含氧化合物和烯烃。值得指出，该技术对乙烷和丙烷的转化效果良好。乙烷可高选择性（97%）转变为乙烯和乙酸，其转化速率高达2.27毫摩尔/克催化剂/小时。丙烷可高选择性（94%）转化为丙烯，转化速率为1.83毫摩尔/克催化剂/小时。
图1.在不同的氧气摩尔分数下乙烷（a）、丙烷（b）和甲烷（c）活化的产物及相应的生成速率
该团队利用同位素标记实验和原位表面增强拉曼光谱，深入探究了关键反应中间体的形成过程，提出了铜在反应条件下会生成表面氧化物，可实现烷烃的碳氢键断裂，生成吸附的烷基中间体。进而通过分子模拟和密度泛函理论计算，提出了可能的反应途径（图2）。
图2.理论计算所使用的计算模型及理论反应机理
该项目技术在室温、常压的条件下将低碳烷烃转化为高价值的液体燃料和商用化学品，在催化科学和绿色化学领域属于重要突破。由于页岩气来源，可以减少对石油资源的依赖，还可能减少页岩气开采过程的温室气体排放，将对全球能源结构的优化和改善产生潜在的积极影响。
该研究以“室温常压下低碳烷烃的活化”（Activation of light alkanes at room temperature and ambient pressure）为题，于7月20日发表在《自然·催化》（Nature Catalysis）期刊上。陆奇为该论文的通讯作者，清华大学化学工程系2017级博士生张皓晨和2018级博士生李春松为共同第一作者。2021级博士生刘文萱也参与了该项研究。北京大学化学与分子工程学院教授徐冰君作为共同通讯作者参与了本课题的研究。研究得到了化学工程联合国家重点实验室（清华大学）和清华大学自主科研专项等项目的资助。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41929-023-00990-9
供稿：化工系
编辑：李若梦
审核：郭玲
2023年07月24日 10:26:11
