中国科学家攻克甲烷高效变甲醇难题

1月10日，《科学》杂志在网上公布了浙江大学团队的研究成果。经过3年多的深入研究，该研究团队在70℃的温和条件下，通过非均相催化体系将甲烷高效转化为甲醇，转化率为17.3%，甲醇选择性为92%，为目前最高水平。

甲烷是天然气和页岩气的主要成分，储量相对丰富，价格低廉。甲醇是生产基础化学品的重要平台分子，具有很高的附加值和应用价值。在此之前，甲醇过于活跃的“特性”使其选择性活化和定向转化成为一个世界性的问题。几十年来，科学家们一直在想各种方法来提高甲烷转化为甲醇的反应效率，但一直没有重大突破。现在问题终于成功解决了。

没人预料到这项研究实际上是受到羊圈的启发。

浙江大学教授肖凤寿和研究员王良的团队从如何锁定淘气的过氧化氢的角度开始了他们的研究。他们想到了乡下的羊圈，不能让羊穿过栅栏跑掉。"你为什么不试着在反应中增加一道栅栏来封闭过氧化氢？"肖凤寿说这是一个非常好的主意，他们开始了实验，很快就成功了。

“我们使用长链烷烃作为‘分子屏障’，因此亲水性过氧化氢被封闭在催化剂中，不能扩散出去。”王良说，尽管氢、氧和甲烷仍然可以进入反应区，但甲醇在生成后会很快耗尽，不会与甲烷竞争反应。

在加速甲烷氧化反应的实验中，过氧化氢的富集浓度将达到10000倍，这是一个“分子栅栏”。

《科学》杂志评论说，这项工作旨在一个非常具有挑战性的催化反应，并巧妙地设计了一个与反应步骤相匹配的“分子栅栏”催化剂。

这个结构的优点是什么？在数百纳米分子筛晶体的反应区，科研团队仍在“做螺旋壳中的道场”。用肖凤寿的话说，整个结构就像一个鸡蛋:“金属催化剂是蛋黄，沸石分子筛是蛋清，分子栅栏是蛋壳。”

在催化剂的设计上，肖凤寿和王良的团队已经尽了最大努力。它们用沸石分子筛紧紧地包裹着金属纳米粒子催化中心，就像蛋清包裹着蛋黄一样，从而稳定了中心的金属催化中心，停止了跑来跑去和聚集在一起。

在过去十年左右的时间里，肖凤寿一直致力于如何通过特殊工艺将催化活性纳米粒子嵌入沸石分子筛中，使催化剂更加稳定，从而最大限度地提高其效率。除了它的高效率，催化剂在制备过程中更环保，“因为我们以无溶剂、无污染的方式合成它，而有些分子筛甚至在传统的水热法中每吨合成产生100吨废水。”

目前，随着页岩气和海底可燃冰的进一步开发，甲烷将在整个能源系统，尤其是碳资源中发挥越来越重要的作用。肖盛丰说，对于未来的应用，从基本原理到大规模应用还有很长的路要走。“随着从甲烷到甲醇附加值的增加，未来将有许多可能性。”

据悉，该研究得到了国家自然科学基金重点项目、优青项目、科技部R&D重点项目、壳牌石油公司国际合作项目等的支持。

相关论文信息:https://science.sciencemag.org/content/367/6474/193/tab-pdf