出品：科普中国

作者：Denovo团队

监制：中国科普博览

说到天然气，大家一定不陌生，现在家家户户做饭都离不开天然气。天然气的主要成分是甲烷，是最简单的碳氢化合物。截止到2023年，我国的天然气储量为6.6万亿立方米，占世界天然气储量的10%。

天然气存储

（图片来源：veer图库）

面对巨大的资源优势，加快甲烷的开发利用，是实现能源化工绿色可持续发展的关键。甲烷除了直接用作燃料，还可以作为C1资源，也就是含有一个碳原子且可以继续转化的分子，来制备高附加值的化学品，如甲醇，甲酸等。

还记得我们在高中时候写甲烷与氧气反应的化学方程式，都要注明反应条件为“燃烧”，甲烷可以在氧气中燃烧生成水和二氧化碳。如果没有燃烧的条件，在温和条件下能实现甲烷分子碳氢键的活化及转化吗？

答案是能！这就是是催化领域的“圣杯反应”。

与“圣杯”相关的反应通常具有极高的挑战性，它们可能需要在很苛刻的条件下进行，或者需要克服化学反应的固有难点，例如，高稳定性的化合物的活化、低产率和低选择性等。这些挑战使得实现这些反应变得困难，但如果能够成功实现，将为科学研究和工业应用带来重大的突破。

甲烷分子的结构图

（图片来源：veer图库）

甲烷低温下的转化挑战

在低温甚至室温条件下，直接用廉价的氧气将甲烷转化为其他有用的化学物质非常困难，这是为什么呢？

让我们看看甲烷和氧气的性质。

甲烷的化学结构包含四个完全相同的碳氢键（C-H），形成高度对称的正四面体构型，甲烷的每个CH3-H键的键能高达435 kJ/mol。

我们可以将甲烷的C-H键想象成一种特别强健的弹簧。这种弹簧非常紧绷，需要很大的力量才能拉伸。在化学上，这种“力量”就是断开C-H键需要提供的能量。

这种高键能使得甲烷的C-H键在热力学上表现出极高的稳定性，在正常条件下极难分解或反应。另一方面，在化学反应中，活性基团通常是在极性作用下产生的（极性作用就是指一个分子有一头带正电，另一头带负电的现象），而甲烷分子的对称结构和非极性特性使其无法产生这种极性（根据分子构型，有对称面分子就没有极性），无法提供活性基团。

因此，甲烷的活化转化反应极具挑战性，通常需要苛刻的条件，如高温(600—1100℃)或者一些“极端分子”，如超强酸和自由基，来辅助甲烷活化。

所以，实现甲烷和氧气低温活化的主要难点在于如何活化甲烷的C-H键，也就是将C-H键中的“弹簧”拉伸开。

催化剂的奇迹

甲烷低温氧气活化

（图片来源：参考文献[3]）

科学家们想到了一个好方法来解决这个问题，他们选择使用催化剂来帮助甲烷低温活化（催化剂是一种反应前后自身不发生变化，但是可以通过改变反应发生需要注入的最低能量，加快反应的化学物质）。

2023年，《自然催化》杂志报道了用25℃的特定二硫化钼（MoS2）催化剂，实现甲烷与氧气直接转化为C1氧合物（甲醇（CH3OH）、甲酸（HCOOH）和亚甲基二醇（HOCH2OH）的过程。在常温条件下，将甲烷和氧气变成了珍贵的C1氧合物，实现了4.2%的甲烷转化率和几乎100%的C1氧合物。

该MoS2是目前报道的唯一能够实现甲烷和氧气室温转化的催化剂。

这一切都归功于MoS2边缘上Mo位点独特的几何和电子结构。该Mo位点在水环境中对氧气具有较高的活化活性，形成了神奇的O=Mo=O*物种。这个物种使碳氢键更容易断裂，降低了甲烷C-H键的活化能，从而大大提高了甲烷的反应活性，进而实现了甲烷和氧气的低温活化。

这个发现将为未来的能源利用和环境保护带来更多的可能性，也让我们对催化剂的神奇作用有了更深刻的认识。

甲烷低温活化的重大战略意义

我国作为一个天然气资源丰富的国家，拥有大量的甲烷储备。实现甲烷与氧气室温直接催化转化，将天然气中的甲烷转化为其他有用的化学物质，能够大大提高天然气的利用率，减少浪费。这将为我国的能源产业带来巨大的经济效益，同时也能够更好地保护环境，实现能源的可持续发展。

其次，甲烷作为一种温室气体，其对全球变暖的“贡献”仅次于二氧化碳。如果能够将甲烷转化为其他物质，可以帮助我们减少温室气体的排放，缓解全球变暖的压力。这将为我国的环境保护事业带来巨大的贡献，同时展现我国在应对全球气候变化问题上的责任和担当。

综合以上讨论，实现甲烷与氧气在室温条件下的直接催化转化，将为我国的能源与环境领域揭开重要的变革序幕，同时也将带来无可估量的机遇。通过突破这一技术难关，不仅能推动我国能源结构的优化和绿色化，还将为相关产业创新提供强有力的技术支撑，进而加快我国在全球能源和环保领域的技术进步和领导地位的形成。

结语

在科学技术的舞台上，甲烷和氧气的故事仍在继续。我们相信，随着科学的不断进步，甲烷的定向转化产值将会继续攀升。让我们共同期待这个美好的未来，用科学的力量为我们的生活带来更多的惊喜和便利！

参考文献

[1] Li, Z., Xiao, Y., Chowdhury, P.R. et al. Direct methane activation by atomically thin platinum nanolayers on two-dimensional metal carbides. Nat. Catal. 4, 882–891 (2021).

[2] Guo, X. et al. Direct, non-oxidative conversion of methane to ethylene, aromatics, and hydrogen. Science 344, 616–619 (2014).

[3] Mao, J., Liu, H., Cui, X. et al. Direct conversion of methane with O2 at room temperature over edge-rich MoS2. Nat. Catal. (2023).

来源: 中国科普博览

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