如何将甲烷转化成甲醇 巴西科学家揭示了将甲烷气体转化为液态甲醇的方法

巴西一组研究人员已经成功地利用轻质和分散的过渡金属，如铜，在一个被称为光氧化的过程中将甲烷转化为甲醇。该反应是迄今为止在环境温度和压力条件下（分别为25℃和1 bar）将甲烷气体转化为液体燃料的最佳反应。

作为压力单位的bar这个词来自希腊语中的重量（baros）。一巴相当于100,000帕斯卡（100 千帕），非常接近海平面的标准大气压力（101,325 Pa）。

这项研究的结果是使天然气成为生产汽油和柴油的替代燃料的能源的重要一步。虽然天然气被认为是一种化石燃料，但其转化为甲醇的二氧化碳 (CO2) 排放量低于同类其他液体燃料。

在巴西，甲醇在生物柴油生产和化学工业中起着关键作用，化学工业用它来合成许多产品。

此外，从大气中捕获甲烷对缓解气候变化的不利影响至关重要，因为这种气体对全球变暖的影响是二氧化碳的 25 倍。

"科学界对地球上甲烷储量的规模存在很大争议。根据一些估计，它们的能源潜力可能是所有其他化石燃料总和的两倍。在向可再生能源过渡的过程中，我们将不得不在某个时候利用所有这些甲烷。”该文章的第一作者 Marcos da Silva 告诉 Agência FAPESP，Marcos da Silva是圣卡洛斯联邦大学（UFSCar）物理系的一名博士生。

根据UFSCar的教授Ivo Freitas Teixeira，Silva的论文导师和这篇文章的最后一位作者，他说，该研究中使用的光催化剂是一个关键的创新。他说："我们的团队通过在单一阶段氧化甲烷进行了重大创新。在化学工业中，这种转化是通过至少两个阶段在非常高的温度和压力条件下产生氢气和二氧化碳来实现的。我们成功地在温和的条件下获得了甲醇，同时也消耗了较少的能源，这是一个重大的进步。"

据Teixeira说，这些结果为今后研究在这种转换过程中使用太阳能铺平了道路，可能会进一步减少其对环境的影响。

在实验室里，科学家们合成了聚庚啶酰亚胺（PHI）形式的结晶氮化碳，使用非贵金属或富含地球的过渡金属，特别是铜，以生产活性可见光光催化剂。

然后他们将这些光催化剂用于以过氧化氢为引发剂的甲烷氧化反应。铜-PHI催化剂产生了大量的含氧液体产物，特别是甲醇（每克材料2,900微摩尔，或4小时内µmol.g-1）。

"我们发现了化学反应所必需的最佳催化剂和其他条件，例如使用大量的水和只有少量的过氧化氢，这是一种氧化剂，"Teixeira说。"接下来的步骤包括更多地了解该材料中的活性铜位点及其在反应中的作用。我们还计划在反应本身中直接使用氧气来产生过氧化氢。如果成功的话，这应该使这个过程更加安全和经济可行。"

该小组将继续研究的另一点与铜有关。"我们使用分散的铜。当我们写这篇文章时，我们不知道我们是在处理孤立的原子还是团簇。我们现在知道它们是团簇，"他解释说。

在这项研究中，科学家们使用了纯甲烷，但在未来，他们将从生物质等可再生能源中提取气体。根据联合国的数据，自前工业时代以来，甲烷迄今已造成约30%的全球变暖。在未来十年，来自人类活动的甲烷排放量可减少多达45%，避免到2045年上升近0.3℃。

利用光催化剂将甲烷转化为液体燃料的策略是新的，而且还没有商业化，但它在短期内的潜力是巨大的。"我们现在的结果比 2017 年Hutchings教授及其团队的结果要好得多，这激发了我们自己的研究，"Teixeira说，他指的是美国和英国大学附属研究人员在《科学》杂志上发表的一项研究，该研究由威尔士卡迪夫大学教授 Graham Hutchings 领导。