近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所包信和院士團隊基于“納米限域催化”的新概念，創(chuàng)造性地構(gòu)建了硅化物晶格限域的單中心鐵催化劑，成功實現(xiàn)了甲烷在無氧條件下選擇活化，一步高效生產(chǎn)乙烯、芳烴和氫氣等高值化學(xué)品。

隨著世界范圍內(nèi)富含甲烷的頁巖氣、天然氣水合物、生物沼氣等的大規(guī)模發(fā)現(xiàn)與開采，以儲量相對豐富和價格低廉的天然氣替代石油生產(chǎn)液體燃料和基礎(chǔ)化學(xué)品成為了學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界的研究重點。甲烷分子具有四面體對稱性，是自然界中最穩(wěn)定的有機小分子，它的選擇活化和定向轉(zhuǎn)化是實現(xiàn)天然氣直接轉(zhuǎn)化利用的重要環(huán)節(jié)，被公認為催化乃至化學(xué)領(lǐng)域的世界性難題。在20多年甲烷催化轉(zhuǎn)化研究的基礎(chǔ)上，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所包信和院士團隊成功將具有高催化活性的單中心低價鐵原子通過兩個碳原子和一個硅原子鑲嵌在氧化硅或碳化硅晶格中，形成高溫穩(wěn)定的催化活性中心；甲烷分子在配位不飽和的單鐵中心上催化活化脫氫，獲得表面吸附態(tài)的甲基物種，進一步從催化劑表面脫附形成高活性的甲基自由基，在氣相中經(jīng)自由基偶聯(lián)反應(yīng)生成乙烯和其他高碳芳烴分子。當(dāng)反應(yīng)溫度為1090℃，每克催化劑每小時流過的甲烷為21升時，甲烷的單程轉(zhuǎn)化率高達48.1%，生成產(chǎn)物乙烯、苯和萘的選擇性高于99%，其中生產(chǎn)乙烯的選擇性為48.4%。催化劑在測試的60小時內(nèi)，保持了極好的穩(wěn)定性。

與天然氣轉(zhuǎn)化的傳統(tǒng)方法相比，該研究徹底摒棄了高耗能的合成氣制備過程，大大縮短了工藝路線，反應(yīng)過程本身實現(xiàn)了二氧化碳的零排放，碳原子利用效率達到100%。