【熙晟】低成本甲烷转甲醇：科学家成功在常温常压下实现光催化

在投递给《化学通讯》期刊的一篇文章中，来自巴西圣卡洛斯联邦大学（UFSCar）的一支研究团队，详细介绍了如何通过在“光氧化”过程中使用

在投递给《化学通讯》期刊的一篇文章中，来自巴西圣卡洛斯联邦大学（UFSCar）的一支研究团队，详细介绍了如何通过在“光氧化”过程中使用光和分散的过渡金属（比如铜），成功地将甲烷转化为甲醇。更棒的是，这项技术可在相对温和的常温（25℃）常压（1 bar）下得到运用，意味着他们找到了一种将这种强效温室气体、制成液态燃料的好方法。

1 bar 接近于海平面的 101325 Pa 标准大气压（来自：Chemical Communications）

SCI Tech Daily 指出，这项研究发现，是让“天然气”能源成为生产汽柴油的替代燃料的关键一步。

尽管天然气本身是一种化石燃料，但将其转化为甲醇之后，最终燃烧排放的二氧化碳还是较其它同类燃料要少得多。

此外甲醇在巴西的生物柴油和化工生产中扮演着至关重要的角色，它可被用于合成各种产品。

展望未来，如果我们能够从大气中高效收集甲烷气体、并转化为液态的甲醇燃料，那也有很大的希望减轻这种温室气体对气候变化的负面影响。

研究配图 1：M-PHI 粉末的 XRD 图谱 / 不同铜负载量下的甲烷转化率

据悉，该研究得到了巴西圣保罗研究基金会（FAPESP）、教育部旗下高等研究委员会（CAPES）和国家科学技术发展委员会（CNPq）的支持。

研究一作、UFSCar 物理系博士生 Marcos da Silva 向 Agência FAPESP 表示 —— 科学界对地球甲烷储量的规模存在很大争议。

有些人估计，其能源潜力或是所有其它化石燃料加起来的两倍。但在向可再生能源过渡的过程中，我们也将不得不在某个时刻设法利用它们。

研究配图 2：Cu-PHI / Fe-PHI 电子显微镜图像（亮点为高度分散的金属原子）

论文指导、UFSCar 的 Ivo Freitas Teixeira 教授表示，光催化剂是该研究中的一项关键创新。

在化学工业中，这种转化至少需要经历两个阶段、通过在极端高温高压下产生氢气和二氧化碳来实现。

但是该校研究团队已在温和条件下、将甲烷气体成功地转化为液态甲醇，同时消耗了更少的能源。

放眼未来，这项研究成果还为利用太阳能进行甲烷转化而铺平道路。

研究配图 3：Cu-PHI 和 Fe-PHI 催化剂的拉曼光谱分析

在实验室环境中，科学家们使用地球上储量相当丰富的非贵金属（比如铜）作为过渡介质，合成了聚庚嗪酰亚胺（PHI）形式的结晶氮化碳、以生产具有活性的可见光催化剂。

接着他们在以过氧化氢为引发剂的甲烷氧化反应中投入了此类光催化剂，并发现 Cu-PHI 能够产生大量含氧液体产物，尤其是甲醇（四小时内每克材料 2900 微摩尔）。

Teixeira 教授补充道 ——“我们发现了化学反应所必须的最佳催化剂和其它条件，例如使用大量的水（H₂O）+ 少量的过氧化氢（H₂O₂）氧化剂”。

接下来的步骤，包括更多地了解材料中的活性铜位点、及其在反应中的作用。此外他们计划直接在反应过程中使用氧气来生产过氧化氢，以进一步提升其安全和经济可行性。

研究配图 4：Cu-PHI 催化剂对甲烷光氧化的机理研究

另一方面，UFSCar 团队将深入调查铜在反应中起到的作用。在撰写这篇文章之时，他们还不清楚分散的铜是孤立原子、还是结成簇，但现在已知是后者。

最后，研究人员希望后续能够不使用纯甲烷作为原料、探索从生物质等可再生能源中提取该温室气体。

参考联合国数据，自前工业时代以来，甲烷在全球变暖中起到了约 30% 的作用。而未来十年，人们活动的甲烷排放量有望大减 45%，以避免在 2045 年让气温上升近 0.3 ℃ 。