据外媒报道,来自斯坦福大学和比利时鲁汶大学的一个研究小组在最近一期《科学》杂志的一项新研究中阐明了在室温下将有害的甲烷转化为甲醇的过程。这一发现可能是迈向以丰富的甲烷为原料的甲醇燃料经济的重要一步,这一进展可能从根本上改变世界使用天然气的方式。甲醇被用来制造各种产品,如油漆和塑料,并作为汽油的添加剂。甲醇富含氢气,可以驱动新时代的燃料电池,从而产生巨大的环境效益。

  如果以甲烷为主要成分的天然气能够经济地转化为甲醇,所产生的液体燃料将比天然气和纯氢更容易储存和运输。这也将大大减少来自天然气加工厂和管道的甲烷排放。甲烷能够产生的温室效应远大于二氧化碳,这几乎否定了天然气相对于石油和煤炭的环境优势。该团队的新研究是他们推进从甲烷生产甲醇的低能耗方式的最新研究。

  “这个过程使用被称为铁沸石的普通晶体,这些晶体已知可在室温下将天然气转化为甲醇,”Benjamin Snyder德解释说,他在斯坦福大学获得博士学位,研究催化剂以解决这一挑战的关键方面。“但是,这在实践层面上是极具挑战性的化学,因为甲烷是顽固的化学惰性。”

  当甲烷被注入多孔铁沸石时,甲醇在室温下迅速产生,不需要额外的热量或能量。相比之下,用甲烷制造甲醇的传统工业工艺需要1000℃的温度和极高的压力。

  “这是一个经济上诱人的过程,但它并不那么容易。”斯坦福大学人文与科学学院的化学教授、SLAC国家加速器实验室的光子科学教授Edward Solomon说:“巨大的障碍阻碍了将这一过程扩大到工业水平。”Solomon是这项新研究的资深作者。

  不幸的是,大多数铁沸石很快就会失活。由于无法处理更多的甲烷,这个过程就会逐渐停止。科学家们一直热衷于研究如何提高铁沸石的性能。由斯坦福大学无机化学博士生Hannah Rhoda共同撰写的这项新研究,利用先进的光谱学来探索用于甲烷转化为甲醇的最有前途的沸石的物理结构。

  Rhoda说:“这里的一个关键问题是如何在不破坏催化剂的情况下获得甲醇。”

  该团队选择了两种有吸引力的铁沸石,并研究了铁周围晶格的物理结构。他们发现,反应性根据周围晶体结构中孔隙的大小而有很大的变化。该团队将其称为”笼子效应”,因为封装晶格类似于一个笼子。

  如果笼子里的孔隙太大,活性位点仅在一个反应周期后就会失活,而且再也不会重新激活。 然而,当孔隙较小时,它们会协调反应物和铁质活性位点之间的精确分子“舞蹈”–一种直接产生甲醇并再生活性位点的“舞蹈”。利用这种所谓的”笼子效应”,研究小组能够重复地重新激活40%的失活位点–这是朝着工业规模的催化过程迈出的重要概念性进展。

  Snyder说:”催化循环–再生位点的不断重新激活–有朝一日可能导致从天然气中持续、经济地生产甲醇,”他现在是加州大学伯克利分校化学系的博士后研究员。基础科学向前迈出的这一基本步骤将有助于为化学家和化学工程师阐明铁质沸石在室温下生产甲醇的过程,但在这种过程可能被工业化之前还有许多工作要做。

  Snyder的下一步计划是:不仅要在室温下实现这一过程,而且要使用环境空气,而不是其他的氧气来源,如这些实验中使用的氧化亚氮。处理像氧气这样强大的氧化剂,在化学反应中是出了名的难以控制,这将是这条道路上的另一个相当大的障碍。

  目前,Snyder对Solomon实验室的复杂光谱仪器的说明能力感到高兴和惊讶,这些仪器在这项研究中得到了充分利用。这些对于他理解甲烷转化为甲醇过程中涉及的化学和化学结构是非常宝贵的。

  Snyder表示:“你可以从这些工具中获得一些非常强大的原子级的洞察力,比如‘笼子效应’,这很酷,而这些工具是前几代化学家所没有的。”

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