【正文】 。理論計算表明，耦合過程將發(fā)揮較高的綜合性能，甲烷的轉(zhuǎn)化率有望突破20%（700℃條件下），產(chǎn)物芳烴的收率高于15%，有望達到工業(yè)經(jīng)濟運行的指標。3天然氣直接轉(zhuǎn)化的研究方案和技術(shù)路線甲烷轉(zhuǎn)化的另一個非常有吸引力的途徑是直接轉(zhuǎn)化生成目的產(chǎn)物。總體看來，技術(shù)已經(jīng)成熟，并已廣泛應(yīng)用于工業(yè)規(guī)模的轉(zhuǎn)化過程中，主要包括合成氣制備甲醇、化肥和基于Fe催化劑的液體燃料（主要為汽油等低碳烴）合成。根據(jù)國內(nèi)外技術(shù)發(fā)展的現(xiàn)狀和趨勢，在項目執(zhí)行初期擬首先進行合成氣為燃料的高溫電池研究，在取得經(jīng)驗的基礎(chǔ)上，逐步過渡到直接采用天然氣驅(qū)動高溫電池。預(yù)計通過對催化劑的改進和過程的優(yōu)化，五年內(nèi)有希望發(fā)展出一條新穎的、具有自主知識產(chǎn)權(quán)的過程。與水蒸氣重整相比，部分氧化反應(yīng)過程具有能耗低、效率高等特點，但由于工藝中需要純氧，造成了過程的高投資，也降低了過程的安全性。下圖為本項目研究的總體思路。三、研究方案總體研究方案項目的總體思路和主要研究內(nèi)容天然氣和由天然氣或煤制得的合成氣的高效轉(zhuǎn)化長期以來一直是能源和化學(xué)化工領(lǐng)域最富挑戰(zhàn)性的研究課題，具有重要的科學(xué)意義和廣闊的應(yīng)用前景。預(yù)計達到的分階段主要目標有：近期（二年內(nèi)），在現(xiàn)有知識積累的基礎(chǔ)上，針對天然氣經(jīng)合成氣間接轉(zhuǎn)化的造氣“龍頭”，開拓采用空氣作為氧化劑，將天然氣部分氧化制合成氣的反應(yīng)分離一體化的嶄新過程，完成工業(yè)放大前期工作；注重解決合成氣的高效轉(zhuǎn)化中涉及的定向轉(zhuǎn)化的科學(xué)問題，逐步完成高效制高品質(zhì)柴油和直接合成含氧化合物等過程的基礎(chǔ)性試驗，并通過實驗室小試驗證；在已有成果的基礎(chǔ)上，完成甲烷無氧芳構(gòu)化和氧化偶聯(lián)過程耦合的概念驗證和初步試驗；中期（五年內(nèi)），以天然氣和合成氣的高效催化轉(zhuǎn)化為目標，以新催化材料的創(chuàng)制和新催化過程的開拓為主要手段，實現(xiàn)甲烷和合成氣的直接催化轉(zhuǎn)化制芳烴、高碳烴與含氧化合物的一系列催化新過程；突破天然氣大規(guī)模高效制氫、CO2處理和高溫燃料電池的關(guān)鍵科學(xué)和技術(shù)問題，完成實驗室小試；結(jié)合上述目標的完成，從理論和實踐上發(fā)展并完善催化過程的原位實時表征技術(shù)和相關(guān)的動態(tài)催化理論，創(chuàng)新高溫催化技術(shù)和催化偶合技術(shù)，從整體上帶動和促進催化學(xué)科的發(fā)展和進步。這些問題的最終解決依賴于從理論上對這些轉(zhuǎn)化過程的完整了解。因此，合成氣高效、定向轉(zhuǎn)化將成為一個適合國情而又非常迫切需要解決的問題，取得的成果亦將促進我國基于煤氣化的多聯(lián)產(chǎn)系統(tǒng)的發(fā)展。1. 甲烷直接高效轉(zhuǎn)化基于國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀和對不同過程的經(jīng)濟評估結(jié)果的分析，結(jié)合我國國情和已結(jié)題的“973”項目研究成果，本項目確定的甲烷直接催化轉(zhuǎn)化研究戰(zhàn)略為：. 采用絕熱和氧分布器技術(shù)的甲烷部分氧化反應(yīng)努力完善已有較好積累并可能在近年內(nèi)產(chǎn)生巨大經(jīng)濟效益的采用絕熱和氧分布器技術(shù)的甲烷部分氧化反應(yīng)制備廉價合成氣過程。基于動力學(xué)的方法，結(jié)合催化反應(yīng)動力學(xué)實驗，求算基元反應(yīng)速率常數(shù)和反應(yīng)的擴散系數(shù)；描述反應(yīng)過程、催化劑顆粒傳遞特征以及反應(yīng)過程放大特性，實現(xiàn)由實驗室數(shù)據(jù)到工業(yè)規(guī)模的放大；總結(jié)和分析所獲得的實驗和理論數(shù)據(jù)，建立并完善涵蓋一些重要催化體系結(jié)構(gòu)和物化參數(shù)的數(shù)據(jù)庫，為新型催化劑的研制提供經(jīng)驗和理論基礎(chǔ)。(3) 催化反應(yīng)過程的理論模擬和反應(yīng)動力學(xué)描述催化科學(xué)的進展不僅取決于新催化材料研制和新實驗技術(shù)的應(yīng)用，還需要借助以量子化學(xué)為主的理論方法，解釋和分析實驗結(jié)果，進而闡明催化作用的本質(zhì)。而且依據(jù)靜態(tài)研究結(jié)果建立的催化理論很難正確地指導(dǎo)催化劑設(shè)計。為此，本項目將針對甲烷活化的高溫反應(yīng)特性和合成氣轉(zhuǎn)化的高選擇性的特點，投入足夠的力量研究開發(fā)包括納米負載的強酸性催化材料、高溫催化材料、多孔催化材料以及膜分離和膜催化材料等在內(nèi)的新技術(shù)。在這些具有特定結(jié)構(gòu)的納米孔道中發(fā)生的催化反應(yīng)具有非常獨特的特性，如區(qū)位選擇性、分子擇形性等。人們很早就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，催化反應(yīng)往往不能在整體（Bulk）金屬表面發(fā)生，而催化問題也不是一個單分子或單原子問題。甲烷和低碳烷烴催化轉(zhuǎn)化中涉及到高溫反應(yīng)和選擇性受熱力學(xué)限制等問題。從反應(yīng)機理層次上看，針對催化材料中活性中心結(jié)構(gòu)及其所處環(huán)境是如何影響反應(yīng)的基元步驟、主導(dǎo)反應(yīng)途徑并進而控制反應(yīng)的活性和選擇性的研究還不成熟。眾多的研究結(jié)果表明，催化材料的構(gòu)筑，包括活性組分的分散程度、活性中心結(jié)構(gòu)、微環(huán)境、落位、載體的孔道結(jié)構(gòu)等，能極大地影響其在甲烷和合成氣轉(zhuǎn)化反應(yīng)中的活性和選擇性。同時這些問題又與催化劑中的各組分，包括活性金屬、載體以及助劑的作用的本質(zhì)密切相關(guān)。從基礎(chǔ)研究的角度看，目前人們對甲烷和烷烴活化和轉(zhuǎn)化的催化活性位結(jié)構(gòu)、活性位作用機理、活性氧物種、反應(yīng)中間體及其轉(zhuǎn)化動態(tài)學(xué)等科學(xué)問題的認識深度還不夠，遠未達到能夠控制活化和選擇轉(zhuǎn)化的要求。項目名稱：天然氣及合成氣高效催化轉(zhuǎn)化的基礎(chǔ)研究首席科學(xué)家：包信和 起止年限：依托部門：中國科學(xué)院一、研究內(nèi)容總體設(shè)想本項目主要研究甲烷（組成天然氣的主要成分）的高效活化和定向轉(zhuǎn)化、由天然氣或煤制備得到的合成氣（CO2和H2 ）的選擇轉(zhuǎn)化及其催化科學(xué)和技術(shù)發(fā)展涉及的重要基礎(chǔ)問題。研究表明，甲烷選擇氧化最關(guān)鍵的問題不僅僅是活化，更重要的是對生成的較活潑產(chǎn)物進一步氧化的有效抑制。合成氣催化轉(zhuǎn)化機理的基本科學(xué)問題，如CO的吸附活化模式、控制鏈引發(fā)、鏈增長（CC鍵的形成）和鏈終止（產(chǎn)物形成）的關(guān)鍵因素等仍然不明確或尚存在爭議，亟待深入研究。因此這些問題的解決對于合理解釋合成氣催化轉(zhuǎn)化過程的復(fù)雜影響因素和可控產(chǎn)物分布的高效催化劑的設(shè)計、研制具有重要的指導(dǎo)意義。 nm的鈷的不僅反應(yīng)活性高且不生成C20以上產(chǎn)物，相反10 nm的鈷的C20以上產(chǎn)物占20%。(1) 基于納米科學(xué)和技術(shù)的結(jié)構(gòu)導(dǎo)向新催化材料的制備 新催化過程和新催化材料的發(fā)展始終是催化科學(xué)和技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)和重要驅(qū)動力。事實上，催化研究在它的一開始就廣泛涉及到納米尺度問題。這種分子篩根據(jù)原料配比和合成方法的不同，其有效孔徑可以從十分之幾nm到幾十甚至幾百nm之間調(diào)變。這一概念將在認識催化原理、發(fā)展催化理論乃至開發(fā)新催化劑中發(fā)揮重要的作用。然而，目前新催化劑的創(chuàng)制主要還是依靠經(jīng)驗對大量催化材料進行篩選。它們包括：發(fā)展和完善毫秒、微秒量級的結(jié)構(gòu)靈敏的