日前，中国科学院理化技术研究所施润副研究员和团队，开创了一种温和条件下的全新低碳烯烃制备路线，揭示了光催化乙烷氧化脱氢反应机制，为页岩气的高效、绿色光催化转化与利用提供了新的理论依据。乙烯的生产是目前石油化工的重要内容之一，这也是关乎国家发展的重要生产活动。目前，乙烯生产依然采取热催化的石脑油裂解、以及部分乙烷脱氢的路线。因此在若干年以后，他们希望能够看到直接利用太阳光来驱动乙烷的脱氢来制备乙烯，从而助力于彻底改变全球的能源格局。

                                 图 | 施润（来源：施润）

1、500℃，为何迟迟降不下去？乙烯是一种重要的基础化工原料，主要用于生产环氧乙烷、聚乙烯、聚氯乙烯、二氯乙烷、乙二醇、以及醋酸乙烯等多种基本有机中间原料，这些原料可以进一步用于合成橡胶、纤维、塑料与炸药等高附加值的化工产品。在全球范围内，约有 75% 以上的石油化工产品和 40% 以上的有机化学产品是以乙烯为原料合成制得。因此，乙烯产量标志着一个国家石油化工工业的发展水平。近年来，由于中国乙烯下游产品发展迅速，导致乙烯的需求量不断攀升。据统计，2023 年中国的乙烯产能约 5000 万吨，超越美国成为全球最大的乙烯生产国。
   目前，乙烯工业高度依赖石油蒸汽裂解技术路线。然而，该过程能耗较高、碳排放总量大，且受化石资源禀赋情况及国际油价影响巨大。因此，开辟一条更高效、更绿色的乙烯生产途径兼具学术和应用价值。进入 21 世纪以来，伴随着石油资源的日益枯竭，各国相继进入了“后石油时代”。页岩气是一种赋存于富有机质页岩及其夹层中的非常规天然气，其主要成分为甲烷、乙烷等低碳烷烃，目前全球已探明储量超过 1000 万亿立方米。根据《BP 世界能源展望 2018》，在 2016-2040 年间中国页岩气开采速度将迅速增长，到 2040 年将成为仅次于美国的第二大页岩气生产国。

2、如何高效地利用页岩气中储量丰富的低碳烷烃，成为近年来催化领域中的研究热点。其中，乙烷脱氢制乙烯是一条低成本、高原子经济性以及绿色环保的非石油路线而备受关注。

1）2020 年，乙烷脱氢和石油裂解这两种路线的乙烯产量已经基本持平。目前，北美地区以乙烷为原料生产乙烯占比已经达到了 52%，中东地区更是达到了 67%。
2）充分利用页岩气等非石油资源的乙烯制备路线，已经得到国际的广泛认可，其竞争力正在逐年迅速发展。
3）乙烷催化脱氢制乙烯工艺：主要分为乙烷直接脱氢和乙烷氧化脱氢。其中，乙烷直接脱氢工艺路线更加成熟，但该路线需在较高的温度下进行（通常高于 750℃）。相较传统石油裂解路线，该路线的能耗和碳排放等并不能得到显著降低。
乙烷氧化脱氢，是指将氧化剂（氧气、双氧水等）引入到乙烷脱氢反应体系中，从而建立新的热力学平衡，理论上可以实现乙烷的完全转化。
3）乙烷氧化脱氢工艺，可以弥补乙烷直接脱氢工艺的热力学平衡限制、缓解催化剂失活等问题，在设备投资和操作费用等方面更具优势，从而得到了学界的广泛关注。

3、然而现有乙烷氧化脱氢相关研究依然以传统热催化理论体系为基础，即便是科研人员倾注大量心血进行催化剂探索和机理研究，乙烷氧化脱氢的反应温度依然在 500℃ 以上。