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灵感来自羊圈，浙大“分子围栏”解决甲烷高效率变甲醇难题，登《科学》杂志

大学仕 2020-02-17 11:47

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1月10日，《科学》杂志在线刊登浙江大学团队的科研成果，该研究团队构筑起了一系列“分子围栏”多相催化剂体系，能够将甲烷高效转化为甲醇，为甲烷的高效利用提供了更为直接和绿色的途径。据悉，浙江大学肖丰收教授和王亮研究员团队经过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%，为当前行业的最高水平。谁也不曾想到，这项研究居然是从羊圈中找到的灵感。

谁也不曾想到，这项研究居然是从羊圈中找到的灵感。

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。

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。”

A-C:分子围栏催化剂的模型和TEM照片。外层蓝色部分代表疏水层，内部红球代表金属纳米颗粒，灰色部分是沸石骨架。D-F：普通负载型催化剂的模型和TEM照片。

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。”

（来源：中国科学报）

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