[发明专利]层状多金属氢氧化物在甲烷光化学转化中的应用

说明书

本发明公开了层状多金属氢氧化物在甲烷光化学转化中的应用，利用层状多金属氢氧化物材料实现了甲烷的光化学偶联，可以将甲烷转化为乙烯、乙烷、丙烷和丁烷中的一种或几种。与传统的甲烷热转化反应相比，本发明在室温条件下实现了甲烷的光化学转化，避免产生积碳，增加了材料的稳定性，能够循环利用；与现有的甲烷光化学转化反应相比，本发明可以得到乙烷、乙烯、丙烷或丁烷等高级烃中的一种或几种，且转化效率高，产物种类可调控。本发明的甲烷光化学转化方法反应过程绿色，环境友好，具有实际工业化的前景。

技术领域

本发明属于甲烷光化学转化技术领域，具体涉及一种层状多金属氢氧化物在甲烷光化学转化方面的应用。

背景技术

甲烷作为天然气的主要组成部分，是一种重要的气体矿藏，世界上已探明的储量高达150.19×10¹²m³。但是甲烷分子的碳氢键极其稳定，难以打破，很难发生可控的化学反应，不适合用做化工行业的原料。目前，甲烷主要作为燃料使用。在工业生产方面，将甲烷和水蒸气在高温下重整为合成气(CO和H₂)，并作为合成氨等的原料。尽管热催化转化甲烷氧化偶联制备乙烯已经得到了比较广泛的研究，并取得了一定成果，但是热催化甲烷转化反应普遍需要在700-1000℃的温度下进行，因此，其能耗和生产成本较高，在温和条件下将甲烷转化为高级的烯烃和烷烃仍然是个难题。而光化学反应是由具有一定能量的光子所引发的，可以在室温乃至低温条件下完成。利用光驱动的方法，将甲烷转化为高附加值的乙烷、乙烯和丙烷等高级烃，相应的能耗比较低，选择性较高，有潜在的工业应用前景。

经检索专利和文献，目前主要有两类光化学甲烷转化材料，一类材料为分子筛和金属-分子筛复合材料，比如Zn-ZSM-5(公开号CN 102069006 A,Angew.Chem.Int.Ed.2011,50,8299-8303)，Ga-ETS-10(Angew.Chem.Int.Ed.2012,51,4702-4706)，β分子筛(J.Am.Chem.Soc.2011,133,17257-17261)，这些材料中Zn-ZSM-5需要在500℃下真空气氛中制备，催化材料合成过程不能接触空气；β分子筛光催化反应在波长为180nm的高能量深紫外光激发中进行反应，和实际应用的要求还有一定距离。另一类材料是半导体氧化物，例如Ga₂O₃(J.Catal.,2008,257,396-402),SiO₂-Al₂O₃-TiO₂(J.Phys.Chem.B,2003,107(33),8355-8362),MoO₃/SiO₂(J.Chem.Soc.Faraday Trans.,1995,91(11),1647-1654)。这几种半导体材料的甲烷转化效率都比较低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新的光化学甲烷转化材料，以克服现有光化学转化材料转化效率低、制备复杂的缺陷。

层状双金属氢氧化物(LDH)是一种十分容易合成的材料，广泛应用于烯烃氧化聚合、醇醛缩合、烯烃异构化、亲核卤代、烷基化、烯烃环氧化、Claisen-Schmidt反应等。本发明首次发现层状双金属氢氧化物可用于甲烷的光化学转化。这种材料的甲烷转化效率明显高于上述两类材料，并且制备方法简单，反应操作过程简便。更为重要的是，在产物中有大比例的乙烯产生，这是化学工业上十分重要的反应单体。本发明利用层状多金属氢氧化物材料实现了甲烷的光化学偶联，可以将甲烷转化为乙烯、乙烷、丙烷和丁烷中的一种或几种，该方法还未见报道。

本发明以层状多金属氢氧化物为光催化剂，经过室温真空处理除去体系中的空气后向体系内充入甲烷气体，在室温条件下通过活化碳氢化学键使甲烷转化为乙烯和丙烷等烃类。