科技日?qǐng)?bào)記者 張夢(mèng)然

美國(guó)能源部布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室及其合作機(jī)構(gòu)的科學(xué)家設(shè)計(jì)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(yùn)輸?shù)囊后w燃料甲醇。據(jù)最新一期《美國(guó)化學(xué)學(xué)會(huì)雜志》發(fā)表的論文介紹，這種甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的直接過(guò)程，在低于泡茶所需的溫度下進(jìn)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(fù)雜的傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化有了很大的進(jìn)步。一般傳統(tǒng)轉(zhuǎn)化需要3個(gè)獨(dú)立的反應(yīng)，每個(gè)反應(yīng)都要在不同條件下進(jìn)行，還需要非常高的溫度才能實(shí)現(xiàn)。新系統(tǒng)則結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，特別適合開采偏遠(yuǎn)地區(qū)“擱淺”的天然氣儲(chǔ)備。這些地區(qū)通常遠(yuǎn)離昂貴的管道和化學(xué)煉油廠基礎(chǔ)設(shè)施，而實(shí)現(xiàn)本地部署后將避免高壓易燃液化天然氣的運(yùn)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(guò)大量的實(shí)驗(yàn)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(dòng)化學(xué)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(fù)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(wú)須在3種不同的反應(yīng)器中、3種不同的條件下進(jìn)行3種獨(dú)立的反應(yīng)?，F(xiàn)在使用三部分催化劑，在一個(gè)反應(yīng)器中驅(qū)動(dòng)三相反應(yīng)就可以實(shí)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(diǎn)。

研究人員表示，對(duì)催化劑設(shè)計(jì)的創(chuàng)新和對(duì)反應(yīng)發(fā)生方式的基礎(chǔ)理解，有助于推動(dòng)未來(lái)化學(xué)過(guò)程的發(fā)展。

總編輯圈點(diǎn)

為什么要大費(fèi)周折的進(jìn)行轉(zhuǎn)化？因?yàn)榧淄樵谧匀唤绶植己軓V，雖然可用作燃料及化工原料，但其提取、運(yùn)輸和儲(chǔ)存都很困難，還存在一定危險(xiǎn)。此外，甲烷氣體釋放或泄漏到大氣中時(shí)對(duì)環(huán)境有害，過(guò)量甲烷只能被燒掉，這一過(guò)程也會(huì)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(xué)家對(duì)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(chǔ)量不斷減少，將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇等燃料也會(huì)越來(lái)越有吸引力。