1月10日，《科學(xué)》雜志在線(xiàn)刊登浙江大學(xué)團隊的科研成果，該研究團隊經(jīng)過(guò)3年多的集中攻關(guān)，通過(guò)多相催化劑體系，在70℃的溫和條件中將甲烷高效率轉化為甲醇，轉化率為17.3%，甲醇選擇性達到92%，為當前的最高水平。
甲烷是天然氣、頁(yè)巖氣等的主要成分，儲備量相對豐富、價(jià)格低廉。甲醇是生成基礎化學(xué)品的重要平臺分子，具有高附加值和高應用價(jià)值。在此之前，甲醇過(guò)于活潑的“性格”卻讓其選擇性活化和定向轉化成為世界性難題。幾十年來(lái)，科學(xué)家們想著(zhù)各種方法要把甲烷變甲醇反應的效率提升上去，但始終沒(méi)有大的突破。如今該難題終于被成功破解。
誰(shuí)也不曾想到，這項研究居然是從羊圈中找到的靈感。
浙江大學(xué)教授肖豐收和研究員王亮團隊，從如何讓鎖住頑皮的雙氧水角度出發(fā)開(kāi)展研究。他們想到農村中的羊圈，通過(guò)圍欄讓羊群無(wú)法跑走。“何不試試在反應中也加一個(gè)圍欄，圈住雙氧水。”肖豐收說(shuō)就是這么靈光一現的想法，他們就便著(zhù)手實(shí)驗，很快就成功了。
“我們用長(cháng)鏈烷烴來(lái)做‘分子圍欄’，這樣親水的過(guò)氧化氫被圍在了催化劑里，無(wú)法擴散出去。”王亮介紹，而氫氣、氧氣和甲烷卻依然能夠進(jìn)入反應區，同時(shí)甲醇生成后能很快跑出來(lái)，不會(huì )和甲烷競爭反應。
就是這么一層“分子圍欄”，在實(shí)驗中將雙氧水的富集濃度達到一萬(wàn)倍，讓甲烷氧化反應加快進(jìn)行。
《科學(xué)》雜志的評審表示，這項工作針對非常具有挑戰性的催化反應，巧妙地設計了與反應步驟相匹配的“分子圍欄”的催化劑。
這個(gè)結構妙在哪？在分子篩晶體幾百納米的反應區，科研團隊還在“螺螄殼里做道場(chǎng)”。用肖豐收的話(huà)說(shuō)，整個(gè)結構就像是一個(gè)雞蛋：“金屬催化劑是蛋黃，沸石分子篩是蛋清，分子圍欄是蛋殼。”
在催化劑的設計上，肖豐收、王亮團隊可謂用足了心思。他們用沸石分子篩緊緊地裹住金屬納米顆粒催化中心，就像蛋清裹住蛋黃一樣，也就把金屬催化中心穩固了在當中，不會(huì )再跑來(lái)跑去聚集在一起了。
在過(guò)去十多年的工作里，肖豐收一直致力于如何通過(guò)特殊工藝，科研人員將催化活性納米顆粒嵌入沸石分子篩，就能讓催化劑更加穩定，從而可以將效率發(fā)揮到最大。除了高效外，這個(gè)催化劑在制備中更綠色，“因為我們是通過(guò)無(wú)溶劑的方式來(lái)合成，不會(huì )產(chǎn)生污染，而傳統的水熱方式合成，有些分子篩每合成一噸甚至會(huì )產(chǎn)生一百?lài)崗U水。”
當前隨著(zhù)頁(yè)巖氣、海底可燃冰的進(jìn)一步開(kāi)發(fā)，甲烷在整個(gè)能源體系尤其是碳資源中將會(huì )扮演越來(lái)越重要的角色。對于未來(lái)的應用，肖豐收說(shuō)，從基礎原理到規?；瘧眠€有很長(cháng)的路要走，“隨著(zhù)甲烷變甲醇中附加值的提升，未來(lái)將有很多可能。”
來(lái)源：中國科學(xué)報
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