美國斯坦福大學(xué)和比利時(shí)魯汶大學(xué)的一個(gè)研究團(tuán)隊(duì)在最新一期的《科學(xué)》雜志上深入闡述了一種催化劑的分子機(jī)制，利用這種機(jī)制有望開發(fā)出經(jīng)濟(jì)的工業(yè)方法，在室溫下將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇，這或能從根本上改變世界使用天然氣的方式。

甲醇可以驅(qū)動(dòng)新一代清潔燃料電池，甲烷是天然氣的主要成分。若能將甲烷以一種經(jīng)濟(jì)的方式轉(zhuǎn)化為甲醇，將比天然氣和純氫更容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸，也將大大減少甲烷的排放量，帶來顯著的環(huán)境效益。

新研究的轉(zhuǎn)化過程中，研究人員使用了名為“鐵沸石”的晶體。20世紀(jì)90年代，俄羅斯科學(xué)家用鐵制的合成沸石進(jìn)行了一系列實(shí)驗(yàn)。他們發(fā)現(xiàn)，室溫下，暴露于甲烷氣體中的多孔沸石可迅速產(chǎn)生甲醇，無須額外的熱量或能量。相比之下，傳統(tǒng)工藝中用甲烷制取甲醇需要1000℃高溫和極高的壓力。

然而，“要在實(shí)際操作中實(shí)現(xiàn)這一化學(xué)目標(biāo)是極具挑戰(zhàn)性的，因?yàn)榧淄樵诨瘜W(xué)上是頑固的惰性物質(zhì)。”斯坦福大學(xué)博士本杰明·斯奈德說。

此外，由于大多數(shù)鐵沸石很快就會(huì)失活，無法處理更多的甲烷，因此轉(zhuǎn)化過程會(huì)逐漸停止。在新研究中，為了提高鐵沸石的性能，研究人員利用先進(jìn)的光譜學(xué)來探索最佳的沸石物理結(jié)構(gòu)。

研究人員選擇了兩種鐵沸石，研究了鐵周圍晶格的物理結(jié)構(gòu)。他們發(fā)現(xiàn)，晶體結(jié)構(gòu)中孔洞的大小不同，反應(yīng)性會(huì)有很大的不同。該團(tuán)隊(duì)將沸石晶體鎖定在一個(gè)受約束的幾何形狀中，稱之為“籠子效應(yīng)”。利用這種“籠子效應(yīng)”，找到大小合適的孔洞，能夠重復(fù)激活40%的失活位點(diǎn)，從而實(shí)現(xiàn)催化循環(huán)。這是向工業(yè)化催化過程邁進(jìn)的重大概念進(jìn)步。

研究人員表示：“催化循環(huán)，即讓活性位點(diǎn)持續(xù)重新激活的這一過程，有朝一日可能讓我們從甲烷中持續(xù)、經(jīng)濟(jì)地生產(chǎn)甲醇的目標(biāo)得以實(shí)現(xiàn)。”

這一基礎(chǔ)性進(jìn)展有助于闡明鐵沸石在室溫下生產(chǎn)甲醇的過程，但在這種過程實(shí)現(xiàn)工業(yè)化之前，還有很多工作要做。

總編輯圈點(diǎn)：

有一類天然硅鋁酸鹽礦石在灼燒時(shí)會(huì)產(chǎn)生沸騰現(xiàn)象，于是它被命名為“沸石”。鐵沸石是用鐵制成的合成沸石，在甲烷到甲醇的轉(zhuǎn)化中，扮演催化劑角色。科研人員此前就已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在鐵沸石的幫助下，甲烷能夠方便快捷變身甲醇。但是，鐵沸石很容易“失活”，相當(dāng)于是一次性產(chǎn)品。這次，科研人員主要解決的就是這一難題。他們利用籠子效應(yīng)，讓失活點(diǎn)能重新被激活，讓催化過程可以繼續(xù)進(jìn)行。不過，現(xiàn)在發(fā)表的依然是個(gè)實(shí)驗(yàn)室成果，要大規(guī)模應(yīng)用還任重而道遠(yuǎn)。(科技日?qǐng)?bào)實(shí)習(xí)記者 張佳欣)

關(guān)鍵詞： 經(jīng)濟(jì)工業(yè) 甲烷 甲醇 使用天然氣