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根據一項近日發表在《自然·通訊》上的新研究，來自我國海南大學的科學家，在“可燃冰”利用領域實現重大突破。下面我們來看看這具體是怎么回事。 地球上的深海沉積物或永久凍土層中，存在著一種看上去很像冰的物質，由于它們可以被火點燃，因此就被人們稱為“可燃冰”，實際上，它們的主體其實就是一種在高壓低溫的環境中，大量的甲烷被困在由水分子構成的晶體結構中所形成的甲烷水合物。 “可燃冰”在地球上的儲量很大，根據科學家的估算，全球“可燃冰”所蘊含的碳資源，大概是地球上所有已探明的煤、石油和天然氣總和的兩倍多。 對于我們人類來講，這無疑是一個極為龐大的能源寶庫，但直到現在，我們仍然沒有對“可燃冰”進行大規模利用，為什么呢？ 原因簡單來講就是，我們把“可燃冰”從深海里開采上來之后，它們就離開了能使其穩定存在的高壓低溫環境，于是其中的甲烷很快就會以氣體的形式大量的釋放出來，稍不注意就會發生泄露，對環境造成污染，另一方面，如何安全高效地進行大規模的甲烷氣體儲存和運輸，也一直是個令人頭大的問題。 那有沒有什么辦法，能把這些從“可燃冰”里釋放出來的甲烷氣體，轉化成一種容易儲存和運輸的燃料呢？ 答案是肯定的，比如說有一種理論上可行的方法就是，我們可以利用氧氣作為氧化劑，通過化學反應將甲烷（CH4）轉化為甲醇（CH3OH），而甲醇在常溫常壓下是穩定的液體，運輸起來方便又安全，它們不但是優質的燃料，而且也是生產各種化工產品的重要原料。 然而想要把這種方法變成現實，卻面臨著巨大的困難，那就是甲烷的碳-氫鍵能高達434千焦/摩爾，非常穩定，通常情況下，至少需要數百攝氏度的高溫才有可能將其轉化為甲醇。 而在高溫條件下，生成的甲醇很容易繼續和氧氣反應，進而被過度氧化為二氧化碳，如此一來，所謂的轉化就相當于轉化了個寂寞，還會向大氣層中排放溫室氣體…… 實際上，此次研究正是在這個領域實現了重大突破。 過去的日子里，人們已經發現，在甲烷到甲醇的轉化中，鈀（Pd）是一種可用的催化劑，科學家也嘗試了多種方法，例如將鈀和其他金屬做成合金，或者將其負載在各種材料上，但始終沒有達到理想的效果。 此次研究也是使用了鈀作為催化劑，但與過去研究不同的是，科學家將研究重點放在了催化劑的“晶面”上。 簡單來講，鈀原子在納米尺度下，會形成多種晶體結構，不同的晶體結構暴露出的表面也不一樣，這個表面就是所謂的晶面，由于催化反應其實是發生在催化劑的表面，因此不同的晶面，其催化效果也會存在差異。 在此次研究中，科學家根據理論進行了大量的實驗，通過從原子層面精準地調控催化劑的晶面，來“定制”并測試它們的催化效果，最終成功合成出一種效果極佳的納米鈀催化劑。 根據介紹，這是一種鈀{111}晶面占主導的催化劑，實驗結果表明，在70℃、3兆帕的溫和反應條件下，其催化甲烷生成甲醇的效率，達到了每克催化劑每小時201.8毫摩爾，而這樣的效率大約是傳統鈀{100}晶面的3倍，可謂是一騎絕塵。 更令人驚嘆的是，它的選擇性達到了99.7%，也就是說，在所有參與反應的甲烷中，有99.7%都會乖乖地變成了我們想要的甲醇。 除此之外，該催化劑對目標產物（也就是甲醇）還具有一種被稱為“快速釋放”的特性，甲醇分子一旦生成，催化平臺就會迅速將其排出反應界面，從而幾乎完美地解決了前面提到的過度氧化問題。 不得不說，這實在是一個好消息，此次研究可以說是在“可燃冰”利用領域邁出了非常關鍵的一步。可以想象的是，隨著相關技術的持續進步，在不遠的未來，“可燃冰”的開采可能就是在開采現場直接利用這種高效催化劑，將其蘊含的甲烷轉化為液態的甲醇，從而安全高效地實現對“可燃冰”的大規模利用。 參考資料：Deng, P., Xu, Y., Wu, D. et al. Pd nanocatalysts engineering for direct oxidation methane-to-methanol with 99.7% selectivity. Nat Commun 16, 7710 (2025)，doi.org/10.1038/s41467-025-63067-0 |
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