核壳化学循环提高了乙烯生产绿色方法的效率

乙烯有时被称为石化行业中最重要的化学品，因为它是多种日常产品的原料。它用于生产防冻剂、乙烯基、合成橡胶、泡沫绝缘材料和各种塑料。

目前，乙烯是通过称为蒸汽裂解的能源和资源密集型工艺生产的，在极端温度和压力下，在蒸汽存在下从原油中生产乙烯，并在此过程中向大气中排放大量二氧化碳。然而，生产乙烯的另一种方法是通过称为甲烷氧化偶联(OCM)的过程。它有潜力成为蒸汽裂解的更绿色替代品，但直到最近，它产生的乙烯量还没有使该工艺在经济上可行。

化学系博士后研究员 Bar Mosevitzky Lis 表示：“到目前为止，单次催化产率低于 30%，这意味着只是让甲烷和氧气通过催化剂，然后在另一侧得到乙烯。”理海大学 PC Rossin 工程与应用科学学院的生物分子工程和生物分子工程。“使用 OCM 模拟整个工业流程的研究表明，只有单程良率达到 30% 至 35% 时，该技术才能盈利。”

OCM 现在离离开实验室、进入现实世界又近了一步。北卡罗莱纳州立大学(NCSU)和理海大学的研究人员与广州能源转换研究所和华东理工大学的研究人员合作，首次开发出一种OCM催化剂，当其涉及乙烯的生产。 描述他们突破的论文 最近发表在 《自然通讯》上。

此次合作由 北卡罗来纳州立大学铝业工程系教授李繁星领导。他的团队开发了一类核壳 Li2CO3 涂层的混合稀土氧化物，作为使用化学循环方案进行甲烷氧化偶联的催化剂。结果单程合格率高达 30.6%。

“化学循环的想法是，不是将甲烷和氧气与催化剂共同送入反应室，而是按顺序进行，”Mosevitzky Lis 说，他也是该研究的合著者之一。“随着时间的推移，催化剂会失去氧气，催化剂就会失效。通过化学循环，你从甲烷开始，然后切换到氧气，然后回到甲烷，氧气不断地再氧化催化剂，从而补充其为反应提供氧气的能力。”

Mosevitzky Lis 和他在 Lehigh 的团队(由 化学和生物分子工程 G. Whitney Snyder 教授兼 Operando 分子光谱和催化研究实验室主任Israel Wachs领导)对催化剂进行了表征。

“我们的专长是 原位 表面表征，”Mosevitzky Lis 说，“这意味着我们在反应进行时表征催化剂的表面。我们应用广泛的物理和化学技术来了解催化剂在其表面进行催化反应时所经历的转变，以及这些转变与使它们成为如此好的催化剂的原因有何关系。”

他说，该催化剂由碳酸锂覆盖的混合氧化物核组成，化学循环过程中核与壳之间的相互作用是实现高产率的原因。结果意味着，工业界首次可以将天然气和沼气中的甲烷升级为乙烯。

“在能源和排放方面，OCM 有潜力变得更便宜、更高效，”他说。“此外，您使用的不是原油，而是通常来自天然气的甲烷，但将来也可能通过沼气和二氧化碳的电化学还原产生。一旦有了乙烯，就可以将其转化为全世界使用的无数产品。”

下一步是确定催化剂是否适合工业规模生产，同时努力进一步提高产量。然而，就目前而言，自 20 世纪 80 年代以来一直未能兑现的承诺的方法终于得以改进，标志着一个里程碑。

“系统的复杂性和发生的动态，几乎就像艺术一样，”Mosevitzky Lis 说。“催化剂的核心和外壳都经历了非常极端的过程，在表面产生了各种有趣的东西。很美丽。”