[发明专利]甲烷向含氧物的氧化转化

说明书

一种将甲烷转化为含氧物的方法。该方法包括在水性介质中，在气态O₂和CO的存在下，在低于200℃的温度下，用负载过渡金属离子的沸石催化剂将甲烷转化为含氧物。还公开了用于将甲烷转化为甲醇的双金属离子沸石催化剂和用于制备该双金属离子沸石催化剂的方法。

背景

甲烷，作为丰富的能源，是主要由页岩气地层产生的天然气的主要成分。甲烷向含氧物(oxygenate)例如甲醇和乙酸的转化是非常重要的。实际上，考虑到含氧物在化学领域中的广泛应用，其引起了大量关注。

大多数当前工艺将甲烷间接转化为甲醇或乙酸，其需要多个步骤。例如，通过两步过程将甲烷转化为甲醇(即，将甲烷蒸汽重整为合成气，然后将合成气转化为甲醇)，并且通过三步过程将甲烷转化为乙酸(即，将甲烷蒸汽重整为合成气，将合成气转化为甲醇，并且最后将甲醇转化为乙酸)。

甲烷向甲醇或乙酸的直接转化正在变得比当前工艺更加普遍。但是，关于当前的甲烷向甲醇或乙酸的直接转化存在三个主要缺点：昂贵的氧化剂例如H₂O₂的使用，低收率，和差的选择性。

存在对于将甲烷直接转化为甲醇或乙酸、采用廉价氧化剂、并且提供高收率和选择性的新方法的需求。

概述

本发明涉及用于将甲烷直接转化为甲醇或乙酸的方法。所述方法使用容易得到的气态O₂作为氧化剂，并且提供出人意料的高收率和高选择性二者。

在一个方面中，本发明是将甲烷转化为含氧物例如甲醇和乙酸的方法。所述方法包括以下步骤：(1)提供负载过渡金属离子的沸石催化剂，(2)在水性介质中，在气态O₂和CO的存在下，在低于200℃的温度下，用催化剂将甲烷转化为含氧物，和(3)收集由此形成的含氧物。在该方法中使用的催化剂是铑沸石催化剂、铜沸石催化剂、铁沸石催化剂、镍沸石催化剂、铱沸石催化剂或其组合。液体形式的含氧物含有甲醇和乙酸二者，其中甲醇的含量、乙酸的含量、或甲醇和乙酸的总含量大于50摩尔％。

在另一个方面中，本发明是用于将甲烷转化为甲醇的方法。所述方法包括以下步骤：(1)提供负载过渡金属离子的催化剂，(2)在水性介质中，在气态O₂和CO的存在下，在低于200℃的温度下，用负载过渡金属离子的催化剂将甲烷转化为甲醇，和(3)收集由此形成的甲醇，在其中负载过渡金属离子的催化剂是负载在金属氧化物载体上的过渡金属催化剂或过渡金属沸石催化剂。

负载在金属氧化物载体上的过渡金属催化剂可以是负载在TiO₂上的铑催化剂。

过渡金属沸石催化剂的实例包括但不限于，铑沸石催化剂、铜沸石催化剂、铁沸石催化剂、镍沸石催化剂、铱沸石催化剂和双金属离子沸石催化剂。

本发明的另一个方面是用于将甲烷转化为甲醇的双金属离子沸石催化剂，所述催化剂含有两种过渡金属，例如Pd和Ir、Cu和Ir、Fe和Ir、Pd和Rh、Cu和Rh、或Ag和Rh。

还在本发明的范围内的是用于制备可以用于将甲烷转化为甲醇的双金属离子沸石催化剂的方法。所述方法包括以下步骤：(1)形成负载过渡金属离子的沸石催化剂，所述催化剂含有一种过渡金属，(2)将另一种过渡金属引入到由此形成的催化剂中以得到双金属离子沸石催化剂，和(3)将由此得到的双金属离子沸石催化剂在5％H2/He(即，在氦中平衡的5％H₂)中还原，其中所述双金属离子沸石催化剂含有两种过渡金属，所述两种过渡金属是Pd和Ir、Cu和Ir、Fe和Ir、Pd和Rh、Cu和Rh、或Ag和Rh。

在以下描述中陈述了本发明的详情。根据以下多个实施方案的详细描述，并且还根据所附权利要求，本发明的其他特征、目的和优点将会是明显的。

详述

在本文中详细公开的是用于将甲烷直接转化为含氧物例如甲醇和乙酸的方法。以下陈述用于将甲烷直接转化为含氧物的一般方案。