[发明专利]一种含磺酰基离子液体在甲烷制甲醇和乙醇反应体系中的应用

说明书

本发明公开了一种含磺酰基离子液体在甲烷制甲醇和乙醇反应体系中的应用。将一定量的含磺酰基的离子液体、溶剂水和催化剂加入到反应体系中，然后通入甲烷气体和空气，在一定温度和压力条件下反应一段时间，得到产物甲醇、乙醇等含氧化合物。相较于现有甲烷直接氧化制甲醇、乙醇等反应体系，本发明通过在反应体系中加入含磺酰基离子液体的方案，有效提升了反应体系中醇类产物的收率。该方案工艺简单、易于推广应用。

技术领域

本发明涉及甲烷直接氧化制甲醇、乙醇的技术领域，具体地说，涉及一种含磺酰基的离子液体在甲烷制甲醇和乙醇反应体系中的应用。

背景技术

天然气已探明的自然储量远超石油，是当今世界可以替代石油的最具应用前景的能源之一，其组成中高达90%为甲烷。如今，通过甲烷的活化及官能化制备烃类及含氧化合物的研究受到了广泛关注。甲醇是C1化学的核心产品，主要用于供热及汽车燃料，而乙醇则在医药和工业上有更加广泛的用途，甲烷转化为甲醇和乙醇是工业上最重要的生产过程之一。

目前甲烷的高效利用主要是在高温高压的条件下通过间接途径进行转化，即先由甲烷转化为合成气，再经过费托合成反应生成甲醇。间接转化工艺存在工艺流程长、能耗大的问题，从可持续性发展的角度出发，甲烷的直接转化可以在较低的温度和压力下进行，直接省去了制备合成气的中间步骤，有效解决了上述问题，因此具有应用前景。

近年来，甲烷直接催化氧化制醇类产物被广泛研究，其中以浓硫酸等强酸和发烟硫酸为介质的反应体系的操作性能表现较好。例如，Periana 等(Science, 1993, 259(5093)340)报道了以配合物Pt(bpym)Cl₂为催化剂，甲烷在发烟硫酸溶剂中的液相催化氧化的转化率为81%，甲醇的选择性在90%以上。之后国内研究者采用HgSO₄、Ag₂SO₄、La₂(SO₄)₃和PbSO₄等一系列金属硫酸盐作催化剂，以浓硫酸作溶剂，也获得了较好的催化反应性能。然而，这类基于强酸的催化体系受到成本较高、腐蚀性大等限制。近期，我们课题组通过铱基复合氧化物催化剂的设计，实现了在水介质中甲烷直接氧化制甲醇(CN 110038591A；CN110639547A )，但催化反应效率还需进一步提高。

针对上述甲烷直接氧化制醇类的反应体系存在强酸介质中溶剂对环境危害大、催化剂稳定性差，在水等温和反应介质中反应效率不高等问题，本发明提供一种在较温和条件下实现催化剂高催化性能的反应体系用于甲烷直接氧化制甲醇和乙醇具有重要意义。

发明内容

针对上述甲烷直接氧化制醇类反应体系所面临的问题，在此提供一种在水介质中的甲烷直接氧化制醇类产物的反应体系中引入含磺酰基离子液体的方法，以实现高效的甲烷直接氧化制甲醇和乙醇。

本发明的目的在于提供一种含磺酰基离子液体在甲烷制甲醇和乙醇反应体系中的应用。

上述的含磺酰基离子液体是指在结构中含有磺酰基团的1-乙基-3甲基咪唑双(三氟甲烷磺酰)亚胺盐（IL-1）、N-丁基吡啶双(三氟甲烷磺酰) 亚胺盐（IL-2）和N-丁基-N-甲基哌啶双(三氟甲烷磺酰) 亚胺盐（IL-3）等离子液体。

上述的一种含磺酰基离子液体的甲烷制甲醇和乙醇反应体系，由甲烷气体、空气、溶剂水、催化剂和含磺酰基离子液体组成，反应后生成甲醇和乙醇等含氧化合物。

上述的一种含磺酰基离子液体的甲烷制甲醇和乙醇反应体系，添加的含磺酸基离子液体和溶剂H₂O的体积比为1:10~1:1000，优选1:10~1:100。

上述的一种含磺酰基离子液体的甲烷制甲醇和乙醇反应体系，初始反应条件下，CH₄和空气的摩尔比为1:1~50:1，优选1:1~30:1，反应压力1~30 atm。