将甲烷转化为乙醇：清洁能源的新曙光

来自 实验室仪器网

科学家团队在可持续能源研究方面取得了重要里程碑，开发出一种将甲烷转化为乙醇的高效方法。研究成果发表在《自然》杂志上，重点介绍了一种光催化方法，该方法使用填充床流动反应器在一次运行中实现了令人印象深刻的80%选择性和2.3%的甲烷转化率。该系统还拥有9.4%的表观量子效率(AQE)，这是其将光转化为可用能量的有效性的有力指标。

乙醇被广泛认为是能源领域的关键成分，可作为液态氢载体和各种旨在减少碳排放的工业应用的重要原料。全球乙醇市场规模超过1000亿美元，年增长率稳定在7%左右。与此同时，天然气和页岩气中储量丰富的甲烷仍未得到充分利用，尽管它有可能成为一种有价值的化学原料，但经常被燃烧用于加热。然而，它的化学稳定性对高效转化提出了重大挑战。

传统方法依赖于高温高压合成气工艺，该工艺不仅能耗高，而且产物选择性低。由于难以实现选择性碳-碳（CC）偶联，甲烷直接转化为乙醇仍然难以实现。

这项突破源于共价三嗪骨架(CTF-1)聚合物的使用，该聚合物的特点是交替的苯和三嗪单元之间具有独特的分子内连接。这种设计增强了电荷分离并延长了电荷寿命，同时还能够有针对性地吸附氧气和水分子。

这种结构有利于实现精确的CC耦合，最大程度地降低过度氧化成二氧化碳和水的风险。当进一步添加铂时，该催化剂显示出非常有希望的乙醇生产率。

香港大学化学系教授说这是甲烷光催化转化为增值绿色化学品的一次重大进步——不仅是从新发现的无金属“分子内结”到有效的CC耦合；而且还可以在环境条件下将甲烷转化为更理想的液态化学品，而且相对高效。

传统的甲烷转化方法，例如费托合成，需要极端温度（>700°C）和压力（~20bar）来激活甲烷的强CH键。这些过程需要高能量输入和多个转化步骤。

由于催化剂设计的限制，以前的光催化转化尝试要么选择性低，要么效率低。新开发的CTF-1催化剂优于这些方法，在保持高选择性的同时实现了20倍以上的量子效率。

甲烷虽然是一种宝贵的资源，但也是一种强大的温室气体。通过单步光催化过程将其直接转化为乙醇，为化学和燃料工业脱碳提供了一条有希望的途径。与气态氢相比，乙醇是液体，更容易储存、运输和分配。它可以直接在低碳车辆上进行重整，包括城市交通、航运和新兴低空航空领域的车辆。这一进步可能在实现碳中和方面发挥关键作用。

由郭教授领导的研究团队计划改进催化剂设计并进一步优化转化过程。这些努力将成为大学资助委员会主题研究计划和研究资助局-欧盟合作创新计划下更广泛合作的一部分，旨在加速可持续化学生产。

甲烷利用仍然是向清洁能源转型的一个关键挑战，这一突破提供了一种实用且可扩展的解决方案，为低碳燃料技术的未来打开了新的大门。

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