Analysis of High Value Methane Conversion Pathways in the Context of Carbon Neutrality

doi:10.7503/cjcu20250122

Abstract

Abstract:

As a pivotal chemical feedstock， methane is characterized by its abundant reserves， cost-effectiveness， and renewability. In the context of global carbon neutrality and net-zero emission initiatives， developing high-value conversion pathways for methane， such as hydrogen production， methanol synthesis， olefin/aromatic generation， and clean fuel manufacturing， has emerged as a strategic approach to maximize its utilization potential. Significant research efforts have been directed toward establishing energy-efficient and economically viable conversion systems to maximize the utilization efficiency of its carbon and hydrogen atoms. This review systematically examines recent advancements in methane conversion technologies for high-value chemical synthesis， and conducts a statistical analysis of relevant literature and patents on different conversion pathways based on thermal catalysis. With these foundational assessments， the future challenges and prospects of methane conversion are prospected.

Key words: Climate change, Carbon neutrality, Methane conversion, Thermal catalysis, High value chemical

CLC Number:

O614

TrendMD:

LAI Lina, BAO Yunxin, WANG Yiming, FAN Jie. Analysis of High Value Methane Conversion Pathways in the Context of Carbon Neutrality[J]. Chem. J. Chinese Universities, 2025, 46(9): 20250122.

Figures/Tables 11

Table 1 Representative catalysts for methane to blue hydrogen

System	Catalyst	Temperature/℃	Reaction condition	CH₄	H₂	H₂	Ref.
System	Catalyst	Temperature/℃	Reaction condition	Conv.（%）	Sel.（%）	Yield/（mg·g $c a t - 1$ ·min^-1）	Ref.
·Molten media catalyst	NiMo⁃Bi	800	100%CH₄ reactant gas=4 sccm	78	100	0.25	［30］
·Molten media catalyst	MnCl₂⁃KCl	1050	100%CH₄ reactant gas=5 sccm	50	100	—	［79］
·Solid catalyst	Ni⁃Pd/Al₂O₃	800	CH₄/N₂=3/7 GHSV=24000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	90	—	—	［80］
	Ni⁃Fe/MgO	700	CH₄/N₂=3/2 GHSV=24000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	64	—	5.2	［81］
	Fe/CeO₂	800	100%CH₄ GHSV=12000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	54	—	4.4	［82］
	Fe/Al₂O₃	700	CH₄/N₂=3/7 GHSV=42000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	60	—	36	［83］

Table 1 Representative catalysts for methane to blue hydrogen

System	Catalyst	Temperature/℃	Reaction condition	CH₄	H₂	H₂	Ref.
System	Catalyst	Temperature/℃	Reaction condition	Conv.（%）	Sel.（%）	Yield/（mg·g $c a t - 1$ ·min^-1）	Ref.
·Molten media catalyst	NiMo⁃Bi	800	100%CH₄ reactant gas=4 sccm	78	100	0.25	［30］
·Molten media catalyst	MnCl₂⁃KCl	1050	100%CH₄ reactant gas=5 sccm	50	100	—	［79］
·Solid catalyst	Ni⁃Pd/Al₂O₃	800	CH₄/N₂=3/7 GHSV=24000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	90	—	—	［80］
	Ni⁃Fe/MgO	700	CH₄/N₂=3/2 GHSV=24000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	64	—	5.2	［81］
	Fe/CeO₂	800	100%CH₄ GHSV=12000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	54	—	4.4	［82］
	Fe/Al₂O₃	700	CH₄/N₂=3/7 GHSV=42000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	60	—	36	［83］

Table 2 Representative catalysts for methane to olefins

Catalyst	Reaction condition	Temperature/℃	CH₄	C₂	C₂	Ref.
Catalyst	Reaction condition	Temperature/℃	Conv.（%）	Sel.（%）	Yield（%）	Ref.
3.6Li/MgO	CH₄/O₂=2/1， GHSV=11250 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	700	38	55	20.9	［84］
La₂Ce₂O₇	CH₄/O₂=4/1， GHSV=18000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	550	30	50	15.0	［85］
Mn⁃Na₂WO₄/SiO₂	CH₄/O₂=4.5/1， GHSV=12000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	800	35	80	28.0	［86］
MnO _x ⁃Na₂WO₄/A⁃SiO₂	CH₄/O₂=5/1， GHSV=10000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	680	23	72	16.6	［87］
Sm₂O₃	CH₄/O₂=3/1， GHSV=72000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	500	28	42	11.8	［88］
Sr⁃La₂O₃	CH₄/O₂=3/1， GHSV=72000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	650	37	54	20.0	［89］
Mn⁃Na₂WO₄/LaCeZr	CH₄/O₂=3/1， GHSV=4000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	700	37	55	20.8	［60］
MnTiO₃⁃Na₂WO₄/SiO₂	CH₄/O₂/N₂=5/1/4， GHSV=8000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	700	20	70	14.0	［90］
La₂O₃⁃NaWSi	CH₄/O₂=3/1， GHSV=20000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	570	31	34	10.6	［91］
Mn/Na₂WO₄/LaCeZr⁃NaWZr/SiC	CH₄/O₂=1/1， GHSV=4000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	700	70	50	35.0	［61］
Fe©SiO₂	CH₄/N₂=9/1， GHSV=21400 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	1090	48	48	23.3	［62］

Table 2 Representative catalysts for methane to olefins

Catalyst	Reaction condition	Temperature/℃	CH₄	C₂	C₂	Ref.
Catalyst	Reaction condition	Temperature/℃	Conv.（%）	Sel.（%）	Yield（%）	Ref.
3.6Li/MgO	CH₄/O₂=2/1， GHSV=11250 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	700	38	55	20.9	［84］
La₂Ce₂O₇	CH₄/O₂=4/1， GHSV=18000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	550	30	50	15.0	［85］
Mn⁃Na₂WO₄/SiO₂	CH₄/O₂=4.5/1， GHSV=12000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	800	35	80	28.0	［86］
MnO _x ⁃Na₂WO₄/A⁃SiO₂	CH₄/O₂=5/1， GHSV=10000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	680	23	72	16.6	［87］
Sm₂O₃	CH₄/O₂=3/1， GHSV=72000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	500	28	42	11.8	［88］
Sr⁃La₂O₃	CH₄/O₂=3/1， GHSV=72000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	650	37	54	20.0	［89］
Mn⁃Na₂WO₄/LaCeZr	CH₄/O₂=3/1， GHSV=4000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	700	37	55	20.8	［60］
MnTiO₃⁃Na₂WO₄/SiO₂	CH₄/O₂/N₂=5/1/4， GHSV=8000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	700	20	70	14.0	［90］
La₂O₃⁃NaWSi	CH₄/O₂=3/1， GHSV=20000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	570	31	34	10.6	［91］
Mn/Na₂WO₄/LaCeZr⁃NaWZr/SiC	CH₄/O₂=1/1， GHSV=4000 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	700	70	50	35.0	［61］
Fe©SiO₂	CH₄/N₂=9/1， GHSV=21400 mL·g $c a t - 1$ ·h^-1	1090	48	48	23.3	［62］

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