[发明专利]由碳氢化合物制备醇的方法和装置

说明书

一种从甲烷生产甲醇的方法，其中在外部电场下在包括纳米多孔层的多层异质结构中发生的过程中产生的热电子驱动从甲烷到甲醇的转化。所述结构通过提供电场的空间增强来产生热电子，并清除热电子离开时产生的热空穴。这种结合增强了所述转化反应的非均相催化。

技术领域

本发明涉及在环境条件下以可扩展的方式利用热电子驱动的转化从碳氢化合物中生产醇。更具体地，本发明涉及在外电场下产生热电子的方法和包括纳米多孔层的多层异质结构。

本发明填补了能源工业中长期存在的空白。

背景技术

在经济上可行且环境友好的条件下使甲烷“增值”(即从甲烷大规模直接至甲醇(DMTM))的催化转化已被认为是当代催化的关键挑战之一。根据诺贝尔奖获得者Sir DerekBarton的说法，这一挑战构成了“化学界的圣杯”。虽然甲烷是一种惰性化合物并且由于是气体而无法运输，但甲醇作为一种化工原料的多用途性是相当独特的，甲醇密度比甲烷高约1000倍。此外，与由于其气态性质而溶解度较差的甲烷相比，甲醇在大多数反应溶剂中是完全混溶的。甲醇可工业转化为多种化学品的例子如图1所示。

天然气是世界上最丰富的石化资源，其中甲烷是主要成分(最高达约95％-97％，取决于来源)。天然气储量估计为约197万亿立方米-208.4万亿立方米(即约7000万亿立方英尺)，并且随着新矿藏的发现，这一数字很可能会继续增加。这不包括非常规来源的更大资源基础，例如页岩气估计为约215万亿立方米(即约7600万亿立方英尺)、致密气、煤层气和甲烷水合物，其开发难度和成本都高于常规矿藏。这些丰富的能源资源中的大多数都没有经济上可行的进入市场的途径而被搁置，原因是(1)天然气密度太低(在20℃下为0.75Kg/m³)以至于无法以其气态形式运输或存储在类似于用于石油的那些的地上设施中；(2)并非所有的天然气田的开发都是经济上可行的，特别是对于位置偏远的小田，其营业收入不能证明天然气项目所需的固定成本的密集型资本投资是合理的。即使对于已开发的天然气(NG)田，也仅有71％的天然气被捕获，16％的天然气因技术原因而被燃烧，并且13％的天然气由于运走能力的成本限制而被燃烧(全世界每年“烧钱”不可避免地燃烧价值约140亿美元的天然气)。

此外，由于天然气态的甲烷的储存能力非常有限，因此甲烷的浪费性燃烧成为必然。因此，在没有管道曲径(labyrinth)的情况下，作为受地理障碍、安全和经济考虑限制的运输方式，天然气必须转化为可运输的液体形式。目前，没有工业上具有成本效益的技术将天然气直接进行液体转化。这迫使该行业采取两条极不理想的经济需求路线，即液化天然气(LNG)路线和通过合成气生产的甲烷至甲醇的多步间接的转化。

LNG是天然气(甲烷)，通过在20atm下将其冷却至-162℃(-260°F)来液化，因此密度增加约624倍(即约468Kg/m³)。这使得能够将液态形式的天然气运输到管道系统无法到达的地方。LNG的方法需要大量的基础设施，其中液化工厂从提出到能够生产通常需要10年，包括4年的场地建设并且成本通常在20年内摊销。也就是说，为了使LNG工厂是经济的，运营商必须拥有可靠的和充足的天然气资源以便运输至少20年。此外，LNG方法不会产生任何增值，因为LNG将在接收终端再气化(即转化回气体)。