1月10日，《科學(xué)》雜志在線刊登浙江大學(xué)團(tuán)隊(duì)的科研成果，該研究團(tuán)隊(duì)經(jīng)過3年多的集中攻關(guān)，通過多相催化劑體系，在70℃的溫和條件中將甲烷高效率轉(zhuǎn)化為甲醇，轉(zhuǎn)化率為17.3%，甲醇選擇性達(dá)到92%，為當(dāng)前的最高水平。
甲烷是天然氣、頁巖氣等的主要成分，儲備量相對豐富、價(jià)格低廉。甲醇是生成基礎(chǔ)化學(xué)品的重要平臺分子，具有高附加值和高應(yīng)用價(jià)值。在此之前，甲醇過于活潑的“性格”卻讓其選擇性活化和定向轉(zhuǎn)化成為世界性難題。幾十年來，科學(xué)家們想著各種方法要把甲烷變甲醇反應(yīng)的效率提升上去，但始終沒有大的突破。如今該難題終于被成功破解。
誰也不曾想到，這項(xiàng)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(tuán)隊(duì)，從如何讓鎖住頑皮的雙氧水角度出發(fā)開展研究。他們想到農(nóng)村中的羊圈，通過圍欄讓羊群無法跑走。“何不試試在反應(yīng)中也加一個(gè)圍欄，圈住雙氧水。”肖豐收說就是這么靈光一現(xiàn)的想法，他們就便著手實(shí)驗(yàn)，很快就成功了。
“我們用長鏈烷烴來做‘分子圍欄’，這樣親水的過氧化氫被圍在了催化劑里，無法擴(kuò)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(yīng)區(qū)，同時(shí)甲醇生成后能很快跑出來，不會和甲烷競爭反應(yīng)。
就是這么一層“分子圍欄”，在實(shí)驗(yàn)中將雙氧水的富集濃度達(dá)到一萬倍，讓甲烷氧化反應(yīng)加快進(jìn)行。
《科學(xué)》雜志的評審表示，這項(xiàng)工作針對非常具有挑戰(zhàn)性的催化反應(yīng)，巧妙地設(shè)計(jì)了與反應(yīng)步驟相匹配的“分子圍欄”的催化劑。
這個(gè)結(jié)構(gòu)妙在哪？在分子篩晶體幾百納米的反應(yīng)區(qū)，科研團(tuán)隊(duì)還在“螺螄殼里做道場”。用肖豐收的話說，整個(gè)結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)上，肖豐收、王亮團(tuán)隊(duì)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(wěn)固了在當(dāng)中，不會再跑來跑去聚集在一起了。
在過去十多年的工作里，肖豐收一直致力于如何通過特殊工藝，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(wěn)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?yàn)槲覀兪峭ㄟ^無溶劑的方式來合成，不會產(chǎn)生污染，而傳統(tǒng)的水熱方式合成，有些分子篩每合成一噸甚至?xí)a(chǎn)生一百噸廢水。”
當(dāng)前隨著頁巖氣、海底可燃冰的進(jìn)一步開發(fā)，甲烷在整個(gè)能源體系尤其是碳資源中將會扮演越來越重要的角色。對于未來的應(yīng)用，肖豐收說，從基礎(chǔ)原理到規(guī)?；瘧?yīng)用還有很長的路要走，“隨著甲烷變甲醇中附加值的提升，未來將有很多可能。”
來源：中國科學(xué)報(bào)
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