斯坦福大學和比利時魯汶大學的研究人員采用了來自大自然的“誘人”原理,在室溫下將有害的甲烷轉化為甲醇。研究結果已發表在《科學》雜志上,這可能是邁向以大量甲烷為原料的甲醇燃料經濟性的重要一步,這一進步可能會改變全球天然氣的使用。最簡單的醇甲醇用于制造各種產品,如塑料和油漆,也用作汽油的添加劑。
甲醇富含氫氣,可能成為新一代燃料電池的驅動力,從而帶來巨大的環境效益。如果天然氣的主要成分甲烷可以轉化為甲醇,與天然氣和純氫相比,由此產生的液體燃料可以毫不費力地儲存和運輸。這也將大大減少管道和天然氣加工廠的甲烷排放。目前,逸出的甲烷氣體—一種比二氧化碳更有害的溫室氣體——幾乎抵消了天然氣相對于煤炭或石油的環境效益。該團隊進行的新研究旨在推廣一種從甲烷中生產甲醇的低能耗方法。
研究人員選擇了兩種有吸引力的鐵沸石,并分析了鐵周圍晶格的物理結構。他們發現,根據周圍晶體結構中孔的大小,反應性變化很大。研究人員將其稱為“籠子效應”,因為封裝的晶格類似于籠子。籠子中的大孔導致活性位點在一個反應??循環后失活,并且它們不會再次重新激活。然而,較小的孔隙孔徑在反應物和鐵活性位點內協調精確的分子舞蹈-產生甲醇并立即再生活性位點。
通過利用“籠子效應”,研究人員不斷重新激活40%的失活位點,這是商業規模催化過程的重大概念進步。Snyder補充道,“催化循環——再生場地的持續再生——有朝一日可能會導致從天然氣中持續、經濟地生產甲醇。”?Snyder在JeffreyR.Long的指導下進行他的研究。
基礎科學中的這一重要步驟將闡明化學工程師和化學家在室溫以下使用鐵Zeolite生產甲醇的過程。但是,在工業化之前需要做大量的工作。斯奈德打算不僅在室溫下而且在環境空氣而不是其他氧氣來源(如研究中的一氧化二氮)下實現這一過程。然而,作為一種高度氧化劑并且在化學反應中通常難以控制,氧氣在路徑上構成了挑戰。
目前,Snyder對Solomon實驗室中用于這項研究的先進光譜儀器的說明能力既驚訝又高興。它們有助于他了解甲烷制甲醇過程中涉及的化學和化學結構。“如何從這些前幾代化學家無法使用的工具中獲得一些非常強大的原子級洞察力,比如籠子效應,真是太酷了”斯奈德總結道。