科技日報記者 張夢然

美國能源部布魯克海文國家實驗室及其合作機構(gòu)的科學家設(shè)計出了一種高選擇性催化劑，只需一步反應(yīng)，即可將天然氣的主要成分甲烷轉(zhuǎn)化為易于運輸?shù)囊后w燃料甲醇。據(jù)最新一期《美國化學學會雜志》發(fā)表的論文介紹，這種甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的直接過程，在低于泡茶所需的溫度下進行，且只產(chǎn)生甲醇而不產(chǎn)生其他副產(chǎn)品。

新工藝相比復雜的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化有了很大的進步。一般傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化需要3個獨立的反應(yīng)，每個反應(yīng)都要在不同條件下進行，還需要非常高的溫度才能實現(xiàn)。新系統(tǒng)則結(jié)構(gòu)簡單，特別適合開采偏遠地區(qū)“擱淺”的天然氣儲備。這些地區(qū)通常遠離昂貴的管道和化學煉油廠基礎(chǔ)設(shè)施，而實現(xiàn)本地部署后將避免高壓易燃液化天然氣的運輸難題。

此次催化劑的新配方含有一種額外成分：金屬和氧化物之間的一層薄薄的“界面”碳。通過大量的實驗和理論工作，研究人員發(fā)現(xiàn)鈀和二氧化鈰之間這層薄薄的碳，才是真正推動化學反應(yīng)的“秘密武器”，它幫助活性金屬鈀將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇。

研究人員發(fā)現(xiàn)，由鈀、氧化鈰和碳組成的三組分催化劑的活性狀態(tài)，利用復雜的三相液固氣微環(huán)境可以生產(chǎn)出最終產(chǎn)品。從甲烷中生產(chǎn)甲醇，無須在3種不同的反應(yīng)器中、3種不同的條件下進行3種獨立的反應(yīng)。現(xiàn)在使用三部分催化劑，在一個反應(yīng)器中驅(qū)動三相反應(yīng)就可以實現(xiàn)了。前者不但有可能產(chǎn)生副產(chǎn)品，還需要昂貴的分離步驟，而后者則完全避免了這些缺點。

研究人員表示，對催化劑設(shè)計的創(chuàng)新和對反應(yīng)發(fā)生方式的基礎(chǔ)理解，有助于推動未來化學過程的發(fā)展。

總編輯圈點

為什么要大費周折的進行轉(zhuǎn)化？因為甲烷在自然界分布很廣，雖然可用作燃料及化工原料，但其提取、運輸和儲存都很困難，還存在一定危險。此外，甲烷氣體釋放或泄漏到大氣中時對環(huán)境有害，過量甲烷只能被燒掉，這一過程也會產(chǎn)生溫室氣體。工業(yè)界一直在尋求更好的手段將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇，但至今未能在溫和的條件下高效、純凈地完成轉(zhuǎn)化。在本文中，科學家對這一轉(zhuǎn)化擁有了100％的“選擇權(quán)”，讓業(yè)界看到了希望。隨著世界石油儲量不斷減少，將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇等燃料也會越來越有吸引力。