新法利用光将甲烷直接转为甲醇

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英国曼彻斯特大学科学家领导的一个国际研究团队，开发了一种利用光和光催化材料，在常温常压下将甲烷直接转化为液态甲醇的快捷方法。这一成果不仅有助于节能减排，且能获得经济收益，因为得到的甲醇可用于制造很多有用的物品。相关研究近日发表于《自然·材料》杂志。
天然甲烷是一种丰富而宝贵的燃料，但由于提取、运输和储存困难，它也很危险。此外，甲烷气体释放或泄漏到大气中也对环境有害。过量甲烷通常被烧掉，以减少其对环境的影响，但燃烧会产生温室气体二氧化碳。鉴于此，工业界一直在寻求经济高效的方法将甲烷转化为甲醇，随着石油储量不断减少，将甲烷转化为甲醇等燃料也越来越有吸引力。
研究人员解释说，将甲烷转化为甲醇面临的主要挑战在于削弱或破坏碳—氢化学键，以插入氧原子形成碳—氢氧键。传统转化方法通常包括两个阶段：蒸汽重整以及合成气氧化，但需要在高温高压下进行，会消耗大量能源、成本高且效率低。
最新方法使用新型金属有机框架（MOF）催化材料和可见光来驱动转化进行。当暴露在光下时，甲烷和含氧水流过MOF颗粒层。MOF包含不同的设计组件，这些组件位于多孔结构内固定的位置上，共同吸收光，产生电子，这些电子被传递到孔内的氧气和甲烷中，形成甲醇。研究人员还借助美国橡树岭国家实验室散裂中子源上的设施对此过程进行了观察及确认。
研究人员表示，这一过程没有产生不良副产物。而且，实验表明，固体催化剂在被分离、清洗、干燥和重复使用至少10次（或约200小时反应时间）后，性能没有出现任何损失。
最新研究通讯作者、曼彻斯特大学科学与工程学院院长马丁·施罗德说：“新光催化过程类似于植物的光合作用，叶子吸收阳光和二氧化碳，光催化过程随后将这些元素转化为糖、氧气和水蒸气。现在我们可以用类似过程将甲烷直接转化为甲醇，而且，这种新型MOF材料也有望催化其他化学反应。”