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利用上海光源BL14W1線站，在甲烷無氧條件下選擇活化的研究中取得了重大突破，相關(guān)成果發(fā)表在5月9日出版的Science雜志上。（Science，2014,344,616）

　　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)界研究和發(fā)展的重點。使用傳統(tǒng)的二步法甲烷轉(zhuǎn)化路線冗長，投資和消耗高，尤為突出的問題是，由于采用了氧分子作為甲烷活化的助劑或介質(zhì)，過程中不可避免地形成和排放大量溫室氣體二氧化碳，一方面影響生態(tài)環(huán)境，另一方面致使總碳的利用率大大降低，通常不會超過一半。因此，人們一直都在努力探索天然氣直接轉(zhuǎn)化利用的有效方法與過程。

　　包信和團隊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（0.5% Fe@SiO2體系），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)生成乙烯和其它高碳芳烴分子，如苯和萘等。與天然氣轉(zhuǎn)化的傳統(tǒng)路線相比，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%。

　　為了從原子水平上認識了催化劑單鐵中心活性位的結(jié)構(gòu)、自由基表面引發(fā)和氣相偶聯(lián)生成產(chǎn)物的反應(yīng)機制，進而揭示單鐵活性中心抑制甲烷深度活化從而避免積碳的機理，該課題組在上海光源BL14W1線站針對納米0.5% Fe@SiO2體系開展了原位XAFS實驗。數(shù)據(jù)分析表明在催化劑活化前，具有明顯的Fe-O配位，而在催化劑活化后，變?yōu)?nbsp;Fe-C以及Fe-Si配位。這個結(jié)果充分說明在催化劑高溫活化過程中Fe原子從鐵氧化物納米顆粒的形態(tài)中脫離嵌入進SiO2晶格形成了單原子的分布。這也進一步說明該催化劑的性能來源于不飽和配位Fe原子的高活性。

　　在該工作中，BL14W1線站科技人員積極參與，在實驗和數(shù)據(jù)處理兩個方面提供了相應(yīng)的專業(yè)技術(shù)支持，為該成果的發(fā)表作出了貢獻。BL14W1線站與包信和團隊保持長期的密切合作，此前已經(jīng)在Science，JACS，PNAS等國際頂級期刊上發(fā)表多篇研究論文。

直接、無氧化條件下的高效甲烷轉(zhuǎn)化