在最近的一项研究中，东京工业大学的研究人员开发了一种新的双功能沸石催化剂，可以有效地将甲烷和一氧化二氮转化为有价值的化学品，提供了一种比传统工艺更可持续、更节能的方法。该催化剂具有优化铜和酸位点空间分布的独特能力，使其能够有效减少温室气体排放，同时产生有用的碳氢化合物，可能指导化学工业未来的脱碳工作。

　　甲烷是一种强效的温室气体，无论是作为能源还是重要的化学原料，都起着至关重要的作用。通常，甲烷在转化为碳氢化合物之前先转化为甲醇。然而，这一过程需要复杂的工业系统。至关重要的是，由于甲烷是一种高度稳定的分子，通过蒸汽甲烷重整等传统方法将其转化为甲醇是非常耗能的。

　　在此背景下，甲烷催化转化为甲醇或其他化学物质引起了科学家们的极大关注，他们渴望找到更节能、更可持续的解决方案。在最近报道的催化剂中，含铜沸石在温和条件下显示出甲烷转化为甲醇的前景。不幸的是，大多数报道的催化剂的产率和选择性都很低，这意味着在甲醇的同时会产生大量不希望产生的副产品。

　　该研究提供了将甲烷和氧化亚氮转化为增值物质的新途径，有助于化学工业的脱碳。图片来源:东京工业大学

　　在最近发表在《自然通讯》上的一项研究中，包括日本东京工业大学副教授Toshiyuki Yokoi在内的一个研究小组研究了一种新型双功能沸石催化剂。有趣的是，这种含铜的铝硅酸盐基沸石能够通过一系列中间反应将甲烷和一氧化二氮(另一种温室气体)直接转化为有价值的化合物。

　　优化催化剂结构，提高产量

　　研究人员解决的关键问题之一是催化剂中不同活性位点的空间分布如何影响反应的输出。为此，他们不仅在水溶液中使用不同浓度的铜和酸位(质子)，而且在固体样品中使用不同的物理混合技术制备了多种催化剂。

　　通过各种实验和分析技术，研究人员发现，铜和酸位点之间的接近程度对确定最终产物至关重要。更具体地说，他们报告说，当Cu位点彼此靠近时，甲烷中Cu位点产生的甲醇更有可能被相邻的Cu位点过度氧化，将其转化为二氧化碳。相反，当Cu位点和酸位点相互靠近时，甲醇在相邻的酸位点与一氧化二氮反应，产生有价值的碳氢化合物和无害的氮气。

　　横井解释说:“我们得出的结论是，为了从甲烷中稳定有效地生产甲醇和最终有用的碳氢化合物，有必要均匀分布Cu位点和酸位点，并使它们彼此之间保持适当的距离。”“我们还发现，所得产物的分布也受到沸石催化剂的酸性质和孔隙结构的影响。”

　　所提出的催化剂最显著的优点之一是它能够维持串联反应，即一个简单的过程，将多个步骤合并为一个，同时去除两种不同的有害温室气体。这种特性将是使这种催化系统在工业环境中具有吸引力的关键。Yokoi总结道:“我们的工作有望指导未来实现甲烷氧化为甲醇的努力，并为促进以甲醇为中间体的碳氢化合物合成开辟道路。”

　　如果幸运的话，这项研究将成为化学工业脱碳的垫脚石，为实现碳中和社会做出贡献。

　　参考文献:“了解沸石催化剂中空间分离的Cu和酸位点对甲烷氧化的影响”，作者:肖佩佩，王勇，王立卓，丰田宏，中村研古，Samya Bekhti，姚尧，黄军，Hermann Gies和Toshiyuki Yokoi, 2024年3月28日，Nature Communications。DOI: 10.1038 / s41467 - 024 - 46924 - 2

　　这项研究由日本科学促进会资助。