硅铝比调控Cu-ZSM-5催化甲烷高效制甲醇作用机制
申雨鑫1
杨臣1
喻川1
颜颖1
蒲允涵1
付名利2
1.华南理工大学环境与能源学院广东省大气环境与污染控制重点实验室,广东 广州 5100062.华南理工大学环境与能源学院广东省大气环境与污染控制重点实验室,广东 广州 510006;华南理工大学工业聚集区污染控制与生态修复教育部重点实验室,广东 广州 510006
摘要：为在温和条件下高效资源化利用煤层气中甲烷,系统探究了硅铝物质的量比(简称"硅铝比")对Cu-ZSM-5催化剂结构及其催化甲烷选择性氧化制甲醇性能的调控机制.通过湿浸渍法制备了不同硅铝比的Cu-ZSM-5-X(CZX)催化剂系列,并采用X射线衍射(XRD)、N2吸附-脱附、X射线光电子能谱(XPS)、电子顺磁共振(EPR)等一系列表征手段,对催化剂理化性质进行深入解析.研究结果揭示,硅铝比是影响铜物种价态分布的关键因素,其中CZ50(实测硅铝比为44.58)催化剂富集了最高比例的Cu+活性位点,且铜物种在分子筛载体上呈高度分散状态.在70℃、3MPa CH4、以0.5 mol/L H2O2为氧化剂的反应条件下,CZ50表现出最优的催化性能,甲醇产率高达46.46 mmol/(g·h),选择性达到86.22％,其性能显著优于其他硅铝比催化剂.机理研究表明,Cu+位点能高效活化H2O2产生·OH自由基,进而攻击甲烷分子生成关键的·CH3中间体.结合原位红外光谱与自由基淬灭试验证明CZ50催化剂因其独特的电子结构能有效稳定该甲基中间体,从而抑制其深度氧化为CO2等副产物,最终实现甲醇的高选择性合成.通过精准调控分子筛载体的"硅铝比"这一关键参数,揭示了其对活性中心铜物种价态的决定性作用,并成功富集了高效稳定的Cu+活性位点,从而在温和条件下实现了甲烷到甲醇的高效、高选择性转化.所优化的CZ50催化剂在温和条件下实现了远超同类文献报道的甲醇产率,这标志着在实现甲烷直接转化这一"催化圣杯"过程的实用化道路上迈出了关键一步,为开发高效、稳定的非贵金属甲烷转化催化剂提供了新的设计思路和坚实的理论依据.
关键词：甲烷选择性氧化甲醇Cu-ZSM-5催化剂硅铝比自由基机理温和条件
分类号：Q643.32(生物电磁学)TQ519(燃料化学工业（总论）)
资助基金：国家自然科学基金(22476054)
论文发表日期：2026-01-31
在线出版日期：2026-03-20（本平台首次上网日期，不代表文献的发表时间）
页数：12( 421-432 )
英文信息