作者:崔雪芹 来源:中国科学报 发布时间:2020/1/10 12:05:07
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中国科学家攻克甲烷高效变甲醇难题

 

《科学》杂志110日在线刊登浙江大学团队的科研成果。研究团队经过3年多的集中攻关,通过多相催化剂体系,在70℃的温和条件中将甲烷高效率转化为甲醇,转化率为17.3%,甲醇选择性达到92%,为当前的最高水平。

甲烷是天然气、页岩气等的主要成分,储备量相对丰富、价格低廉。甲醇是生成基础化学品的重要平台分子,具有高附加值和高应用价值。在此之前,甲醇过于活泼的“性格”却让其选择性活化和定向转化成为世界性难题。几十年来,科学家们想着各种方法要把甲烷变甲醇反应的效率提升上去,但始终没有大的突破。如今该难题终于被成功破解。

谁也不曾想到,这项研究居然是从羊圈中找到的灵感。

浙江大学教授肖丰收和研究员王亮团队,从如何让锁住顽皮的双氧水角度出发开展研究。他们想到农村中的羊圈,通过围栏让羊群无法跑走。“何不试试在反应中也加一个围栏,圈住双氧水。”肖丰收说就是这么灵光一现的想法,他们就便着手实验,很快就成功了。

“我们用长链烷烃来做‘分子围栏’,这样亲水的过氧化氢被围在了催化剂里,无法扩散出去。”王亮介绍,而氢气、氧气和甲烷却依然能够进入反应区,同时甲醇生成后能很快跑出来,不会和甲烷竞争反应。

就是这么一层“分子围栏”,在实验中将双氧水的富集浓度达到一万倍,让甲烷氧化反应加快进行。

《科学》杂志的评审表示,这项工作针对非常具有挑战性的催化反应,巧妙地设计了与反应步骤相匹配的“分子围栏”的催化剂。

这个结构妙在哪?在分子筛晶体几百纳米的反应区,科研团队还在“螺蛳壳里做道场”。用肖丰收的话说,整个结构就像是一个鸡蛋:“金属催化剂是蛋黄,沸石分子筛是蛋清,分子围栏是蛋壳。”

在催化剂的设计上,肖丰收、王亮团队可谓用足了心思。他们用沸石分子筛紧紧地裹住金属纳米颗粒催化中心,就像蛋清裹住蛋黄一样,也就把金属催化中心稳固了在当中,不会再跑来跑去聚集在一起了。

在过去十多年的工作里,肖丰收一直致力于如何通过特殊工艺,科研人员将催化活性纳米颗粒嵌入沸石分子筛,就能让催化剂更加稳定,从而可以将效率发挥到最大。除了高效外,这个催化剂在制备中更绿色,“因为我们是通过无溶剂的方式来合成,不会产生污染,而传统的水热方式合成,有些分子筛每合成一吨甚至会产生一百吨废水。”

当前随着页岩气、海底可燃冰的进一步开发,甲烷在整个能源体系尤其是碳资源中将会扮演越来越重要的角色。对于未来的应用,肖丰收说,从基础原理到规模化应用还有很长的路要走,“随着甲烷变甲醇中附加值的提升,未来将有很多可能。”

据悉,研究受到国家自然科学基金重点项目、优青项目、科技部重点研发计划项目、壳牌石油公司国际合作项目等资助。

相关论文信息:https://science.sciencemag.org/content/367/6474/193/tab-pdf

 
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