甲烷的活化及转化是化学界的“圣杯”，至于甲烷制合成气的重要性及意义就不再赘述。今天主要结合Jan Lerou Consulting负责人Jan Lerou的报告内容——甲烷制合成气，以及塔夫茨大学（Tufts University）杰出教授、罗伯特和马西•哈伯（Robert and Marcy Haber）讲座教授、玛丽亚•弗利扎尼•史蒂芬诺普洛斯（Maria Flytzani Stephanopoulos）就此方面作了总结和展望，介绍下甲烷制合成气工业应用中存在的关键问题和挑战，以及新的机遇。
Jan Lerou在报告中简要回顾了目前用于将甲烷转化为合成气的主要商业技术，以及产生的商业化前景可期的新技术。
下面分别介绍每项技术存在的局限和挑战：
1、蒸汽重整SMR技术
2、部分氧化技术POX技术
3、自热重整技术ATR技术
将要工业化的一些新技术
1、 短接触时间的催化部分氧化SCT-CPO技术
2、OTM自热重整器
3、干气重整
新产生的技术
1、 化学循环重整
2、 三重整技术
根据以上内容，Maria Flytzani Stephanopoulos确定了四个关键研究目标，旨在改进现有的商业流程。这些研究目标包括：
1、确定目前使用的空分设备的替代方案，降低资本和运营成本；
2、提高这些工艺的碳或热效率，目前这些工艺燃烧大量甲烷以产生必要的工艺热；
3、了解多功能催化剂载体材料如何在材料之间的界面上相互作用，以便设计出更好的催化剂，并将催化剂与先进的分离膜结合起来；
4、采用过程强化（侧重于分子水平的动力学、热力学和热质传递）来优化过程性能。
根据这些目标，制定了以下甲烷制合成气工艺的研究机会清单：
1、开发氧离子和质子导电陶瓷膜，作为双功能材料，取代目前用于从空气中分离氧的高能耗方法，并用作催化剂载体基质。
2、确定使用三维打印的添加剂制造是否能够使铜或锡催化剂与反应器内件协同打印，以改善传热，这是甲烷制合成气工艺的关键参数。
3、开发新型结构的先进换热系统和催化剂载体。
Flytzani Stephanopoulos还评价了化学循环重整技术，其中还原的金属氧化物在一个反应器中被氧化，然后用于部分氧化甲烷以产生一氧化碳和氢，同时恢复初始金属氧化物形式。这是一项相对较新的技术，作为一种更有效的生产合成气的手段显示出巨大的希望。然而需要进一步研究，以改进工艺本身，开发用于反应器的新材料，并表征工艺动力学和有助于反应器中结焦的催化表面参数。特别是开发和应用在化学循环过程中典型的高温下原位表征催化剂活性中心的方法，将有助于更好地了解在这些条件下活性中心的损失。
Flytzani Stephanopoulos表示计算化学和实验结合使用，有可能从第一原理推动新催化材料的发现。最后，短接触时间反应堆已显示出一些希望，但要达到工业过程所需的过程可靠性水平，仍有许多工作要做。
（参考："3 Catalytic Conversion of Methane." National Academies of Sciences, Engineering, and Medicine. 2016. The Changing Landscape of Hydrocarbon Feedstocks for Chemical Production: Implications for Catalysis: Proceedings of a Workshop. Washington, DC: The National Academies Press. doi: 10.17226/23555.）
閱讀更多 電催化合成 的文章
