伦敦大学学院唐军旺团队综述：甲烷的催化氧化在改善环境问题中的应用

伦敦大学学院唐军旺教授课题组综述了甲烷的催化氧化反应在改善由于甲烷排放产生的温室效应等环境问题方面的研究进展，总结了在热催化和光催化过程中催化剂研发、催化剂失活、催化反应过程、反应器设计等方面的进展，并提出了该领域面临的问题和未来研究的方向。

随着天然气的大量开采和使用，大气中甲烷的浓度逐年升高。甲烷分子导致的温室效应是等量CO₂的近30倍。因此，降低大气中甲烷的含量在改善环境问题方面有很重要的研究意义和应用价值。通过催化氧化反应来清除低浓度的甲烷是一种高效，成本可控，环境友好的方案。目前，可通过传统热催化以及新兴的光催化过程来进行甲烷的催化氧化。近年来，科研工作者对甲烷的催化氧化过程进行了大量系统的研究，取得了一系列重要的进展和突破。

受Science China Chemistry邀请，唐军旺教授等总结了近年来通过热催化和光催化过程实现的甲烷催化氧化过程，重点介绍了以贵金属Pd为代表的热催化，以及以TiO₂和ZnO为代表的光催化甲烷氧化催化剂的开发，系统地对比了不同催化剂的反应活性。接着，对催化过程中的深层反应机理的表征和研究进行了总结，包括热催化过程中的活性位点，催化剂的失活，催化剂的结构和成分演变，光催化过程中的光电荷的产生、分离和反应，以及催化过程中复杂的自由基反应和反应路径。介绍了目前催化甲烷氧化过程中面临的挑战，包括热催化中催化反应温度较高，催化剂在高温以及反应条件下的稳定性和失活；光催化中催化剂的响应光谱，光腐蚀稳定性等。此外，总结了通过原位光谱和电子显微镜的手段揭示催化反应的机理的研究，这些结果和结论对催化剂的设计提供重要的指导作用。作者还提出，除了催化剂的开发和改良，反应器的设计在在甲烷的催化氧化过程中，也起到十分重要的作用。最后，对甲烷催化氧化未来的研究方向进行了展望。

详见：C Wang, Y Xu, J Tang. Catalytic methane removal to mitigate its environmental effect. Sci. China Chem., 2023, DOI: 10.1007/s11426-022-1487-8

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【通讯作者简介】

唐军旺，欧洲科学院院士，英国科学院-利弗休姆资深研究员，比利时欧洲科学院院士，英国皇家化学会会士，国际材料和矿物协会会士。曾任伦敦大学学院大学材料中心主任，化学工程系材料化学和材料工程主席教授等。目前是清华大学化工系工业催化中心首任主任，清华大学首任碳中和讲席教授，同时是伦敦大学学院兼职教授，也兼任全英华人正教授协会副主席，英国陕西联谊会主席，中国科学院留学人员联谊会海外理事等社会职务。唐军旺教授在太阳能的利用、光热耦合催化活化小分子(包括水分解制氢、合成氨、甲烷转化、二氧化碳转化为高级化学品等)、新型催化材料以及微波催化方面(塑料的化学循环利用)具有丰富的研究经验。

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