用太陽光“照”出乙烯
——記中國科學院理化技術研究所光催化乙烷氧化脫氫反應機制

“乙烷是天然氣、頁巖氣開采過程的主要副產物之一，因經濟價值低、運輸難度大，難以資源化利用。光催化技術能直接利用太陽能，將這些乙烷轉化為乙烯，具有成本效益。”中國科學院理化技術研究所施潤副研究員介紹了這個技術的前景。 這套機制是施潤及其研究團隊的最新成果，一種溫和條件下低碳烯烴的制備路線，通過太陽光催化，驅動乙烷脫氫制乙烯。 相關論文發表于《自然·通訊》上。

頁巖氣主要成分為甲烷、乙烷等低碳烷烴，目前全球已探明儲量超過1000 萬億m3，儲量豐富。利用頁巖氣中的乙烷催化脫氫制乙烯是當前一條低成本、綠色化的非石油路徑。 乙烷催化脫氫制乙烯工藝主要分為乙烷直接脫氫和乙烷氧化脫氫。 乙烷直接脫氫工藝路線更加常見，但該路線需在750 ℃的高溫下進行，與傳統石油裂解路線比較，在能耗和碳排放方面雖有所減少，但降碳效果也受限。 而乙烷氧化脫氫工藝路線是將氧化劑引入到乙烷脫氫反應體系中，實現乙烷到乙烯的轉化，這不僅可以解決乙烷直接脫氫工藝的熱力學平衡限制、緩解催化劑失活等問題，在設備投資和操作費用等方面更具優勢。但該反應溫度依然在500 ℃以上，反應條件苛刻，如何降低反應溫度成為課題組的研發方向。

“光催化研究比較常見，但把光催化用于乙烷氧化脫氫制乙烯上卻較為少見。”施潤解釋道。課題組大膽創新，反復篩選材料，最終制備了一種鈀鋅(PdZn)金屬間化合物負載的納米氧化鋅(ZnO)光催化劑。其中，PdZn 是過渡金屬，ZnO 是氧化物半導體，用來“吸”光。 利用這種光催化劑，他們首次實現了光催化條件下乙烷氧化脫氫制乙烯。 試驗結果顯示，在140 ℃反應溫度下，該反應中乙烯的生成速率達46.4 mmol/(g·h)，乙烯選擇性為92.6%，指標優于目前600 ℃熱催化條件下乙烷氧化脫氫制乙烯。該催化劑表現出優異的光催化丙烷和丁烷氧化脫氫性能，并在模擬頁巖氣的反應氣氛下，實現了20%的乙烷轉化率以及87%的乙烯選擇性。 該研究開創了一種全新的溫和條件下低碳烯烴制備路線。 有了這個機制，對于開采難度大、不適宜大規模開采的石油、天然氣，也有望實現小規模低成本開發。 “該技術有望成為石油熱催化生產乙烯的補充路線，將散布的油氣和太陽能有機結合，直接把太陽能轉化為化學能，既降低用電成本，又實現了低成本生產乙烯。 ”施潤說道。

（來源: http://www.ccin.com.cn/detail/2a9ff479cffb081a2705362e14289004/news）