等离子体催化活化甲烷和氨气低温合成氢氰酸新进展

(ACS Catalysis,2018, 8, 10219-10224, Supplementary Cover)

氢氰酸（HCN）是一种重要的化工原料。目前，氢氰酸的工业生产方法主要有安氏法（FASF开发）和BMA法（Degussa开发）。安氏法是以甲烷、氨气和氧气为原料，于常压、1000 ^oC条件下，在Pt-Rh合金网的催化作用下合成氰化氢。BMA法是甲烷和氨气在常压、1300 ^oC以上的条件下进行的反应，所用的催化剂是管状的Pt网固定床。这两种方法均须1000 ^oC以上的高温，反应条件苛刻，且消耗大量贵金属Pt和Rh。

精细化工国家重点实验室易颜辉讲师和郭洪臣教授团队一直致力于等离子体催化活化小分子研究。前期研究表明，在等离子体条件下，CH₄在低温甚至室温条件就能被活化为高活性的CH₃、CH₂、CH等自由基物种（Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56,13679-13683）；而NH₃在等离子体条件下也能通过与高能电子的非弹性碰撞产生大量的NH₃*、NH₂、NH等高反应活性基团（ACS Catal., 2015, 5, 4167-4174）。基于此，该团队在低温共活化CH₄和NH₃，实现C-N偶联合成HCN方面取得重要进展。研究结果表明，在等离子体和Pt/TS-1催化剂协同作用下，可在400 ^oC条件下实现氰化氢的合成。在最优条件下，甲烷的转化率可达25 %，HCN的选择性达80 %。此外，该团队还结合发射光谱等诊断方法揭示反应机理。等离子体主要起预活化CH₄和NH₃的作用，而 Pt/TS-1催化剂吸附等离子体产生的活性物种，并催化脱氢，两者协同促进HCN的低温合成。

相关成果以封面论文（Supplementary Cover）发表于ACS Catalysis, 2018, 8, 10219-10224，论文第一作者硕士生郭智芳，通讯作者易颜辉讲师。