[发明专利]一种基于单原子催化剂进行甲烷无氧偶联制备乙烷的方法

说明书

本发明公开了一种基于单原子催化剂进行甲烷无氧偶联制备乙烷的方法，包括：将甲烷气体在单原子催化剂及在光照条件下，在第一预设温度下，经过第一预设时间，进行无氧偶联反应得到乙烷。

技术领域

本发明涉及碳资源转化技术领域，特别涉及一种基于单原子催化剂进行甲烷无氧偶联制备乙烷的方法。

背景技术

随着化石能源的不断消耗，发展和利用可再生能源迫在眉睫。甲烷作为天然气、页岩气以及可燃冰中的主要成分，不仅是一种重要的可再生能源，还是一种制备多碳烷烃和烯烃的重要化工原料，在建筑、机械、交通、航空航天及化工等行业中起着重要作用。现今工业上利用甲烷制备多碳烷烃和烯烃的方法主要采用甲烷有氧偶联和甲烷无氧偶联法。由于甲烷具有极高的分子稳定性，因此这两种方法均需要较高的温度才能有效进行并且极易生成二氧化碳或炭黑等副产物，使得多碳产物的选择性不够理想，需要在反应后进行产物的分离和纯化进而导致生产成本的上升。所以，开发更加环境友好型的方法进行甲烷活化，对能源领域的可持续发展来说十分重要。

光催化甲烷无氧偶联与传统的热催化甲烷偶联反应相比，反应条件更温和，不需要高温高压，并且可以使用可持续利用的光能驱动，是一种非常有前景的甲烷转化方式。迄今为止，光催化甲烷无氧偶联主要采用氧化物半导体作为光催化剂，利用氧化物半导体在光照的条件下产生的光生空穴，氧化甲烷。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种基于单原子催化剂进行甲烷无氧偶联制备乙烷的方法，以期解决上述技术问题。

为实现上述技术目的，本发明提供一种基于单原子催化剂进行甲烷无氧偶联制备乙烷的方法，包括：

将甲烷气体在单原子催化剂及在光照条件下，在第一预设温度下，经过第一预设时间，进行无氧偶联反应得到乙烷。

根据本发明实施例，其中，上述单原子催化剂包括：钯单原子负载的二氧化钛催化剂。

根据本发明实施例，其中，上述单原子催化剂中，钯和钛的原子摩尔比包括：0.0005～0.05：1。

根据本发明实施例，其中，上述单原子催化剂中，二氧化钛的形状包括以下至少之一：片状、棒状、球状、菱状；上述二氧化钛的晶型包括以下至少之一：锐钛矿、金红石、商业P25。

根据本发明实施例，其中，上述光照条件的光源包括以下至少之一：氙灯、LED灯、钨灯、汞灯。

根据本发明实施例，其中，上述光照条件的光照强度包括：10～1000mW/cm²。

根据本发明实施例，其中，上述第一预设温度包括：0～100℃。

根据本发明实施例，其中，上述第一预设时间包括：30～360min。

根据本发明实施例，其中，上述甲烷气体包括以下至少之一：天然气、页岩气、可燃冰、沼气。

根据本发明实施例，使用的原料气可以为纯甲烷气体的形式，也可以时含甲烷气体的形式。术语“甲烷气体”是指其中含有甲烷的气体混合物，优选其中甲烷的体积含量大于10％的含甲烷气体。

根据本发明实施例，其中，上述甲烷气体的分压包括：0.001～1MPa。

根据本发明实施例，甲烷气体在钯单原子负载的二氧化钛催化剂、光照条件下和温和条件下反应，由于钯单原子负载的二氧化钛中特殊的电子结构，使其作为光催化剂时，在反应过程中形成的甲基自由基集中稳定在钯位点，并进一步直接偶联为乙烷，从而获得极高的乙烷选择性。该反应几乎没有一氧化碳或二氧化碳等副产物产生，所得的产物乙烷具有高选择性并易于后续分离。此外，本发明为实现温和条件下的光催化甲烷无氧偶联提供了思路，并且具有广阔的应用前景。

附图说明

图1示意性示出了钯单原子负载的二氧化钛催化剂的高角度环形暗场扫描透射电镜图片。