物质科学
Physical science
6月4日，北京大学的马丁教授研究团队在Cell Press细胞出版社旗下期刊Chem Catalysis发表了题为“Photothermal transformation of ethane to ethylene oxide via consecutive dehydrogenation and epoxidation reactions”的研究论文。本研究提出并验证了一种创新的太阳能光热串联催化策略，实现了乙烷直接转化为环氧乙烷的双反应器集成反应系统。
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研究亮点：
光热催化实现乙烷向环氧乙烷的直接转化
户外实验验证太阳能驱动合成的可行性
光热调控实现串联反应在不同温区进行
研究简介：
图1: 串联反应装置示意图。
环氧乙烷（ethylene oxide, EO）是现代化工的重要中间体，广泛用于生产聚合物、表面活性剂和精细化学品。当前工业环氧乙烷的制备主要依赖于石油裂解生成乙烯，随后通过高温热催化进行乙烯环氧化，过程能耗高、碳排放大。为响应碳中和目标，开发清洁、高效的EO合成路径成为亟需突破的关键问题。
本研究提出并验证了一种创新的太阳能光热串联催化策略，实现了乙烷直接转化为环氧乙烷的双反应器集成反应系统。该体系由两个串联反应单元组成：前段通过NiLa/BN催化剂实现乙烷光热脱氢，后段则在AgCsRe/Al₂O₃催化剂上完成乙烯的选择性环氧化，两步均可以以光(氙灯或太阳光)为唯一能量来源完成催化过程。
研究中，NiLa/BN催化剂表现出优异的脱氢性能与抗积碳能力。La的引入有效抑制了Ni颗粒在高温下的碳沉积，显著提高了催化稳定性。该催化剂实现了较高乙烯选择性条件下60%的乙烷转化率，其空间时间产率高达152 mmol g⁻¹ h⁻¹。在乙烯环氧化阶段，研究者进一步开发了掺杂Cs和Re的Ag基催化剂，有效提高EO产率达到14%。
为验证该体系的实用性与可扩展性，研究团队在户外自然阳光条件下开展了实地反应测试，利用Fresnel聚光透镜调节不同反应段的温度，实现了与实验室Xe灯下相当的反应效率，表明该方法在太阳能资源丰富地区具备良好的工业应用前景。
此外，研究还开展了初步的技术经济评估(TEA)，表明当乙烷原料成本较低时(如页岩气资源丰富地区)，该新路线在成本上相较传统工艺更具优势。其中，乙烷成本占总生产成本的近80%，凸显了原料获取成本对经济性的决定性作用。
作者介绍
马丁
教授
马丁，博士，教授，主要从事多相催化领域的研究，发展了低温下水分子活化过程，以及高效制氢催化循环，为我国未来氢能利用提供了重要的科学基础。获国家杰出青年基金，教育部长江学者和中组部万人计划领军人才计划。以第一完成人获教育部自然科学一等奖，获中国催化青年奖，中国科学十大进展，中国化学会-巴斯夫青年知识创新奖，首届腾讯科学探索奖；当选首届新基石研究员，入选英国皇家化学会会士和中国化学会会士。2023年度获得国家自然科学奖二等奖“碳化钼催化剂上水的低温活化和制氢过程”。
王蒙
研究员
王蒙，博士，研究员，王蒙研究员致力于开发废塑料高值化的新路线，探索氢能应用和二氧化碳转化等领域的新体系和新反应。发展了多条全新的废塑料制品向高价值化学品的催化转化路线，设计了多个氢能应用相关的反应过程及催化剂，取得了系统性的创新成果。至今共发表研究论文70余篇，总引用次数3000余次，h指数30，于2021年获得第8届“中国催化新秀奖”。
相关论文信息
论文原文刊载于CellPress细胞出版社旗下
期刊Chem Catalysis，
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▌论文标题：
Photothermal transformation of ethane to ethylene oxide via consecutive dehydrogenation and epoxidation reactions
▌论文网址：
https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2667109325001551
▌DOI：
https://doi.org/10.1016/j.checat.2025.101417
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