图为研究使用的两种铁基沸石的笼状结构示意图。红色和金色球体（分别代表氧和铁）构成了活性位点。灰色的笼状结构由硅、铝和氧构成。蓝色球体量化了可以自由进出该活性位点笼状结构最大分子的尺寸（甲烷的直径约为4.2 Å）。来源：Benjamin Snyder
来自斯坦福大学和比利时鲁汶大学的研究人员进一步阐明了这个有趣的过程。这可能是朝着甲醇燃料经济（以储量丰富的甲烷为原料）迈出的重要一步，或能从根本上改变世界使用天然气的方式。
甲醇是最简单的醇类物质，被用于制造各种产品，如油漆和塑料，有时也作为汽油的添加剂。甲醇富含氢元素，可以成为新一代燃料电池的驱动力，从而带来巨大的环境效益。
如果以甲烷为主要成分的天然气能够经济地转化为甲醇，由此产生的液体燃料将比天然气和纯氢更容易储存和运输。这也将大大减少管道和天然气加工厂的甲烷排放。目前，逸出的甲烷几乎抵消了天然气相对于煤炭或石油的环境效益。近期，研究团队于《科学》杂志上发表的一项新研究揭示了一种从甲烷中生产甲醇的低能耗方法。
“这一过程使用的是铁沸石这种常见晶体。可以在室温下将天然气转化为甲醇。”Benjamin Snyder在斯坦福大学的博士期间的研究就是针对铁沸石催化天然气转化的挑战，并因此获得其博士学位，他解释说：“但此化学过程在实际操作中是极具挑战性的，因为甲烷在化学上呈惰性。”当将甲烷注入多孔铁沸石中时，无需额外的热量或能量即可在室温下快速生成甲醇。相比之下，传统甲烷产甲醇的工业过程需要 1000°C (1832°F) 的温度和极高的压力。
SLAC 国家加速器实验室化学和光子科学斯坦福大学教授，研究高级作者Edward Solomon称，这一工艺具有很大的经济价值，但事情并不那么容易。该过程扩大到工业水平还存在巨大的障碍。
保持沸石活性
不幸的是，大多数铁沸石很快就会失去活性。由于无法处理更多的甲烷，这一过程逐渐被淘汰。科学家们一直热衷于研究提高铁沸石性能的方法。这项新研究由斯坦福大学无机化学博士生Hannah Rhoda共同撰写，利用高级光谱学探索最有希望用于甲烷-甲醇生产的分子筛的物理结构。
Hannah Rhoda使用了共振拉曼光谱设备。该设备向样本发射激光，从研究的精确位置获取振动信息。图片来源：Hannah Rhoda
“关键问题是如何在不破坏催化剂的情况下取出甲醇”，Rhoda说。该团队选出了两种有希望的铁沸石，研究了铁原子周围晶格的物理结构。他们发现，反应活性随周围晶体结构中孔隙大小发生显著变化。该团队将其称为“笼子效应”，因为封装起来的晶格就像一只笼子。
如果笼内的孔太大，活性位点在一个反应周期后就会失活，无法重新激活。然而，当孔径较小时，它们会在反应物和铁活性位点之间协调精确的分子舞蹈，这一过程将直接产生甲醇并使活性位点再生。利用这种所谓的“笼效应”，研究团队能够重新激活40%的失活位点，这是迈向工业规模催化过程的重大概念性进展。
Snyde表示：“催化循环，即再生位点的持续活化，有朝一日能实现从天然气中持续、经济地生产甲醇。”他现在是加州大学伯克利分校化学系 Jeffrey R. Long 的博士后研究员。
Benjamin Snyder(右)和他的前博士导师Edward Solomon，斯坦福大学化学系教授和斯坦福大学科学研究中心光子科学教授。
这一基础科学的基本进展将有助于化学家和化学工程师了解铁沸石在室温下生产甲醇的过程，但要将这一过程距离推广至工业化还有很多工作要做。
Snyder接下来的目标是：不仅要在室温下，还要使用环境空气而不是其他一些氧气源来实现该过程。处理像氧气这样在化学反应中很难控制的强氧化剂，将是另一个相当大的障碍。
目前，Snyder 对所罗门实验室中复杂光谱仪器的解读能力既感到高兴又惊讶。这些仪器用于本研究得到的结论对于他理解甲烷制甲醇过程中涉及的化学和化学结构是非常宝贵的。
撰文：Andrew Myers
翻译：曾欣欣
审校：董子晨曦
引进来源：斯坦福大学
本文来自：中国数字科技馆
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