常温条件下甲烷直接制备甲醇的电化学反应系统和机理研究

甲烷是天然气和沼气的主要成分。将甲烷转变为液态甲醇，在能源、化工原料的存储上具有重要的战略意义。本项目在含氯化物或氟化物的碱性电解液的电化学反应系统中，电解时阳极上产生的原子氯（Clo）或原子氟（Fo）能够氧化甲烷获得甲醇的前期工作基础上，进行：1）筛选出能溶解并活化甲烷的离子液体，加入到含Cl-或F-阴离子的碱性电解液中，制备含功能化离子液体的电解液；2）制备含对甲烷具有催化作用的Cu、Fe、Co、Ni等金属和/或其氧化物的纳米粒子的泡沫碳（石墨）/金属电极，并对电极的催化活性、选择性与稳定性等进行比较研究；3）通过研究不同条件下离子液体与甲烷的相互作用，并考察含离子液体的电解液与复合电极对产物、转化率、产率、选择性的影响，研究离子液体与复合电极对甲烷氧化制甲醇过程的作用机理；4）确定各工艺参数，建立甲烷直接催化氧化制甲醇的具有应用前景的电化学反应系统。

甲烷是天然气和沼气的主要成分，将甲烷转变为液态甲醇，在能源、化工原料的存储上具有重要的战略意义。在含氯化物或氟化物的碱性电解液的电化学反应系统中，电解时阳极上产生的原子氯（Cl•）或原子氟（F•）能够氧化甲烷获得甲醇，但甲烷不溶于水，在水基电解液中难以提高甲烷的浓度，致使甲醇的产率很低。为了提高电解液中和电极上的甲烷浓度， 1）本项目以乙醇-水溶液为电解液基液，加入NaOH和NaCl或NaF，制备出碱性乙醇电解液，详细研究了各组分含量对甲烷在这种电解液中的溶解性、电导率、甲烷电解制甲醇的转化率和产率等的影响，获得了两种电解质溶液，一种是含有NaCl和NaOH的乙醇基电解液，另一种是含有NaCl和NaOH的 [Bmim]Br/乙醇电解液；2）使甲烷在阳极及其附近大量吸附或固定并活化的方法是采用具有微米级孔径的泡沫碳（石墨）/金属复合电极作阳极材料。本项目以膨胀容积为350ml/g膨胀石墨为原料，对制备成板状电极时的膨胀容积、质量和压制时的压力对膨胀石墨吸附率、机械性能、导电率、显微结构等的影响进行了系统研究，对掺杂铁、钴、镍、铜元素后所制成的复合电极进行了甲烷电解制甲醇的转化率和产率的研究，获得了两种电极，一种是CuO-PEG-PVA /膨胀石墨电极，另一种是CuO-AlPO4 /膨胀石墨电极；（3）在上述电解液和电极的组合下，获得了4个用于甲烷制备甲醇的电化学反应系统，在优化工艺条件下，甲烷制备甲醇的产率约40%。进行了4个发明专利的申请，完成研究论文6篇，培养硕士研究生6人。