好消息！我國科學(xué)家在“可燃冰”利用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)重大突破

根據(jù)一項(xiàng)近日發(fā)表在《自然·通訊》上的新研究，來自我國海南大學(xué)的科學(xué)家，在“可燃冰”利用領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)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(zhì)，由于它們可以被火點(diǎn)燃，因此就被人們稱為“可燃冰”，實(shí)際上，它們的主體其實(shí)就是一種在高壓低溫的環(huán)境中，大量的甲烷被困在由水分子構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)中所形成的甲烷水合物。

“可燃冰”在地球上的儲(chǔ)量很大，根據(jù)科學(xué)家的估算，全球“可燃冰”所蘊(yùn)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(duì)于我們?nèi)祟悂碇v，這無疑是一個(gè)極為龐大的能源寶庫，但直到現(xiàn)在，我們?nèi)匀粵]有對(duì)“可燃冰”進(jìn)行大規(guī)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(wěn)定存在的高壓低溫環(huán)境，于是其中的甲烷很快就會(huì)以氣體的形式大量的釋放出來，稍不注意就會(huì)發(fā)生泄漏，對(duì)環(huán)境造成污染，另一方面，如何安全高效地進(jìn)行大規(guī)模的甲烷氣體儲(chǔ)存和運(yùn)輸，也一直是個(gè)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(zhuǎn)化成一種容易儲(chǔ)存和運(yùn)輸?shù)娜剂夏兀?/p>

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(xué)反應(yīng)將甲烷（CH4）轉(zhuǎn)化為甲醇（CH3OH），而甲醇在常溫常壓下是穩(wěn)定的液體，運(yùn)輸起來方便又安全，它們不但是優(yōu)質(zhì)的燃料，而且也是生產(chǎn)各種化工產(chǎn)品的重要原料。

然而想要把這種方法變成現(xiàn)實(shí)，卻面臨著巨大的困難，那就是甲烷的碳-氫鍵能高達(dá)434千焦/摩爾，非常穩(wěn)定，通常情況下，至少需要數(shù)百攝氏度的高溫才有可能將其轉(zhuǎn)化為甲醇。

而在高溫條件下，生成的甲醇很容易繼續(xù)和氧氣反應(yīng)，進(jìn)而被過度氧化為二氧化碳，如此一來，所謂的轉(zhuǎn)化就相當(dāng)于轉(zhuǎn)化了個(gè)寂寞，還會(huì)向大氣層中排放溫室氣體……

實(shí)際上，此次研究正是在這個(gè)領(lǐng)域?qū)崿F(xiàn)了重大突破。

過去的日子里，人們已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在甲烷到甲醇的轉(zhuǎn)化中，鈀（Pd）是一種可用的催化劑，科學(xué)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(fù)載在各種材料上，但始終沒有達(dá)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(xué)家將研究重點(diǎn)放在了催化劑的“晶面”上。

簡單來講，鈀原子在納米尺度下，會(huì)形成多種晶體結(jié)構(gòu)，不同的晶體結(jié)構(gòu)暴露出的表面也不一樣，這個(gè)表面就是所謂的晶面，由于催化反應(yīng)其實(shí)是發(fā)生在催化劑的表面，因此不同的晶面，其催化效果也會(huì)存在差異。

在此次研究中，科學(xué)家根據(jù)理論進(jìn)行了大量的實(shí)驗(yàn)，通過從原子層面精準(zhǔn)地調(diào)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(jù)介紹，這是一種鈀{111}晶面占主導(dǎo)的催化劑，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在70℃、3兆帕的溫和反應(yīng)條件下，其催化甲烷生成甲醇的效率，達(dá)到了每克催化劑每小時(shí)201.8毫摩爾，而這樣的效率大約是傳統(tǒng)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(dá)到了99.7%，也就是說，在所有參與反應(yīng)的甲烷中，有99.7%都會(huì)乖乖地變成了我們想要的甲醇。

除此之外，該催化劑對(duì)目標(biāo)產(chǎn)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(tái)就會(huì)迅速將其排出反應(yīng)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(shí)在是一個(gè)好消息，此次研究可以說是在“可燃冰”利用領(lǐng)域邁出了非常關(guān)鍵的一步。可以想象的是，隨著相關(guān)技術(shù)的持續(xù)進(jìn)步，在不遠(yuǎn)的未來，“可燃冰”的開采可能就是在開采現(xiàn)場直接利用這種高效催化劑，將其蘊(yùn)含的甲烷轉(zhuǎn)化為液態(tài)的甲醇，從而安全高效地實(shí)現(xiàn)對(duì)“可燃冰”的大規(guī)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