據外媒報道，來自斯坦福大學和比利時魯汶大學的一個研究小組在最近一期《科學》雜誌的一項新研究中闡明了在室溫下將有害的甲烷轉化為甲醇的過程。這一發現可能是邁向以豐富的甲烷為原料的甲醇燃料經濟的重要一步，這一進展可能從根本上改變世界使用天然氣的方式。甲醇被用來製造各種產品，如油漆和塑料，並作為汽油的添加劑。甲醇富含氫氣，可以驅動新時代的燃料電池，從而產生巨大的環境效益。
如果以甲烷為主要成分的天然氣能夠經濟地轉化為甲醇，所產生的液體燃料將比天然氣和純氫更容易儲存和運輸。這也將大大減少來自天然氣加工廠和管道的甲烷排放。甲烷能夠產生的溫室效應遠大於二氧化碳，這幾乎否定了天然氣相對於石油和煤炭的環境優勢。該團隊的新研究是他們推進從甲烷生產甲醇的低能耗方式的最新研究。
“這個過程使用被稱為鐵沸石的普通晶體，這些晶體已知可在室溫下將天然氣轉化為甲醇，”Benjamin Snyder德解釋說，他在斯坦福大學獲得博士學位，研究催化劑以解決這一挑戰的關鍵方面。“但是，這在實踐層面上是極具挑戰性的化學，因為甲烷是頑固的化學惰性。”
當甲烷被注入多孔鐵沸石時，甲醇在室溫下迅速產生，不需要額外的熱量或能量。相比之下，用甲烷製造甲醇的傳統工業工藝需要1000℃的溫度和極高的壓力。
“這是一個經濟上誘人的過程，但它並不那麼容易。”斯坦福大學人文與科學學院的化學教授、SLAC國家加速器實驗室的光子科學教授Edward Solomon說：“巨大的障礙阻礙了將這一過程擴大到工業水平。”Solomon是這項新研究的資深作者。
不幸的是，大多數鐵沸石很快就會失活。由於無法處理更多的甲烷，這個過程就會逐漸停止。科學家們一直熱衷於研究如何提高鐵沸石的性能。由斯坦福大學無機化學博士生Hannah Rhoda共同撰寫的這項新研究，利用先進的光譜學來探索用於甲烷轉化為甲醇的最有前途的沸石的物理結構。
Rhoda說：“這裡的一個關鍵問題是如何在不破壞催化劑的情況下獲得甲醇。”
該團隊選擇了兩種有吸引力的鐵沸石，並研究了鐵周圍晶格的物理結構。他們發現，反應性根據周圍晶體結構中孔隙的大小而有很大的變化。該團隊將其稱為”籠子效應”，因為封裝晶格類似於一個籠子。
如果籠子里的孔隙太大，活性位點僅在一個反應周期后就會失活，而且再也不會重新激活。 然而，當孔隙較小時，它們會協調反應物和鐵質活性位點之間的精確分子“舞蹈”–一種直接產生甲醇並再生活性位點的“舞蹈”。利用這種所謂的”籠子效應”，研究小組能夠重複地重新激活40%的失活位點–這是朝着工業規模的催化過程邁出的重要概念性進展。
Snyder說：”催化循環–再生位點的不斷重新激活–有朝一日可能導致從天然氣中持續、經濟地生產甲醇，”他現在是加州大學伯克利分校化學系的博士后研究員。基礎科學向前邁出的這一基本步驟將有助於為化學家和化學工程師闡明鐵質沸石在室溫下生產甲醇的過程，但在這種過程可能被工業化之前還有許多工作要做。
Snyder的下一步計劃是：不僅要在室溫下實現這一過程，而且要使用環境空氣，而不是其他的氧氣來源，如這些實驗中使用的氧化亞氮。處理像氧氣這樣強大的氧化劑，在化學反應中是出了名的難以控制，這將是這條道路上的另一個相當大的障礙。
目前，Snyder對Solomon實驗室的複雜光譜儀器的說明能力感到高興和驚訝，這些儀器在這項研究中得到了充分利用。這些對於他理解甲烷轉化為甲醇過程中涉及的化學和化學結構是非常寶貴的。
Snyder表示：“你可以從這些工具中獲得一些非常強大的原子級的洞察力，比如‘籠子效應’，這很酷，而這些工具是前幾代化學家所沒有的。”