《科学》:“甲烷变甲醇”有望实现室温下工业化生产

作者:张佳欣

美国斯坦福大学和比利时鲁汶大学的一个研究团队在最新一期的《科学》杂志上深入阐述了一种催化剂的分子机制,利用这种机制有望开发出经济的工业方法,在室温下将甲烷转化为甲醇,这或能从根本上改变世界使用天然气的方式。

甲醇可以驱动新一代清洁燃料电池,甲烷是天然气的主要成分。若能将甲烷以一种经济的方式转化为甲醇,将比天然气和纯氢更容易储存和运输,也将大大减少甲烷的排放量,带来显著的环境效益。

新研究的转化过程中,研究人员使用了名为“铁沸石”的晶体。20世纪90年代,俄罗斯科学家用铁制的合成沸石进行了一系列实验。他们发现,室温下,暴露于甲烷气体中的多孔沸石可迅速产生甲醇,无须额外的热量或能量。相比之下,传统工艺中用甲烷制取甲醇需要1000℃高温和极高的压力。

然而,“要在实际操作中实现这一化学目标是极具挑战性的,因为甲烷在化学上是顽固的惰性物质。”斯坦福大学博士本杰明·斯奈德说。

此外,由于大多数铁沸石很快就会失活,无法处理更多的甲烷,因此转化过程会逐渐停止。在新研究中,为了提高铁沸石的性能,研究人员利用先进的光谱学来探索最佳的沸石物理结构。

研究人员选择了两种铁沸石,研究了铁周围晶格的物理结构。他们发现,晶体结构中孔洞的大小不同,反应性会有很大的不同。该团队将沸石晶体锁定在一个受约束的几何形状中,称之为“笼子效应”。利用这种“笼子效应”,找到大小合适的孔洞,能够重复激活40%的失活位点,从而实现催化循环。这是向工业化催化过程迈进的重大概念进步。

研究人员表示:“催化循环,即让活性位点持续重新激活的这一过程,有朝一日可能让我们从甲烷中持续、经济地生产甲醇的目标得以实现。”

这一基础性进展有助于阐明铁沸石在室温下生产甲醇的过程,但在这种过程实现工业化之前,还有很多工作要做。