[发明专利]一种电化学氧化甲烷制化学品的方法

说明书

本申请公开了一种电化学氧化甲烷制化学品的方法，所述方法基于固体氧化物电解池；所述固体氧化物电解池的阴极和阳极之间的电压为0.8～8.0V，所述固体氧化物电解池的阴极获得的氧离子在所述固体氧化物电解池的阳极与含有甲烷的气体接触反应；700～950℃的条件下，所述方法中固体氧化物电解池的阳极获得的气体中乙烯和乙烷的体积含量高于8.00％。通过利用从阴极经过电解质传导到复合阳极的氧离子，进行电化学氧化甲烷制化学品，可在电解空气、二氧化碳或水蒸汽的同时，同步电化学氧化甲烷，大幅提高电能向烯烃、烷烃等化学品的转化效率，因此对可再生电能存储和乙烯的制备具有十分重要的意义。

技术领域

本申请涉及一种电化学氧化甲烷制化学品的方法。属于电化学领域。

背景技术

甲烷是一种清洁且廉价的碳氢化合物资源，可从可用天然气，页岩气和天然气水合物中获得。它被称为可持续生产的可再生生物质，可用性高于原油。近年来，全球原油的枯竭刺激了将甲烷转化为高价值化学品和可运输燃料的需求。迄今为止，从甲烷到烯烃的工业规模转化使用间接途径，其中甲烷在700℃以上转化成CO和H₂，随后转化为甲醇，然后转化成烯烃。近来，已报道双功能催化剂(与介孔SAPO沸石组合的ZnCrO_x)和碳化钴纳米棱柱体能够在温和条件下以令人惊讶的选择性将CO和H₂直接转化成烯烃。尽管取得了这些进展，甲烷中的强C-H键使得这种方法变得棘手，这种间接途径的原子利用效率很低。一种发展中的技术是在没有分子氧(O₂)的情况下使用合适的催化剂将甲烷直接转化成烯烃和芳族化合物。据报道，沸石负载的Mo催化剂(Mo/沸石)已被深入研究，并且最近报道了嵌入二氧化硅基质(Fe@SiO₂)中的单原子铁催化剂具有有希望的甲烷转化率和轻质烯烃选择性。然而，商业前景因为这些过程快速催化剂失活(对于Mo/沸石)和超高反应温度(高达1100℃对于Fe@SiO₂)而受限。

甲烷氧化偶联方法是在O₂的存在下，甲烷可以直接转化为C₂碳氢化合物(乙烯和乙烷)。凯勒和巴辛在1982年的开创性工作启动了一项全球研究工作来探索这一过程。已经认识到，甲烷氧化偶联方法既包括非均相催化步骤，其涉及催化剂表面上的O₂和CH₄的活化以产生甲基(CH₃·)基团，也包括均相气相步骤涉及偶联，CH₃·自由基转化为C₂H₆，然后脱氢成为C₂H₄。然而，引入O₂是双刃的：虽然它节省了活化CH₄的能量，但过氧化是不可避免的。因此，有必要开发一种引入O₂同时避免过氧化问题的甲烷氧化偶联技术。

发明内容

根据本申请的一个方面，提供了一种新型高温电解空气、二氧化碳或水蒸汽同步电化学氧化甲烷制化学品的方法。固体氧化物电解池可进行高温电解空气、二氧化碳或水蒸汽，而在复合阳极可直接生成纯氧。通过利用从阴极经过电解质传导到复合阳极的氧离子，进行电化学氧化甲烷制化学品，可在电解空气、二氧化碳或水蒸汽的同时,同步电化学氧化甲烷，大幅提高电能向烯烃、烷烃等化学品的转化效率，因此对可再生电能存储和乙烯的制备具有十分重要的意义。

所述电化学氧化甲烷制化学品的方法，其特征在于，所述方法基于固体氧化物电解池；

所述固体氧化物电解池的阴极和阳极之间的电压为0.8～8.0V，所述固体氧化物电解池的阴极获得的氧离子在所述固体氧化物电解池的阳极与含有甲烷的气体接触反应；

所述固体氧化物电解池的电极材料有氧空位；每摩尔电极材料含有的氧空位≥0.01mol；

750～950℃的条件下，所述方法中固体氧化物电解池的阳极获得的气体中乙烯和乙烷的体积含量高于8.00％。