甲烷和甲醇，一个具有产量优势，一个极具产品优势，科学家一直想为其牵线搭桥，但过于活泼的“性格”却让甲醇选择性活化和定向转化成为世界性难题。
经过3年多的集中攻关，浙江大学教授肖丰收和研究员王亮团队，构筑起了一系列“分子围栏”多相催化剂体系，在70℃的温和条件中将甲烷高效率转化为甲醇，转化率为17.3%，甲醇选择性达到92%，是当前的最高水平。这项研究近日被《科学》杂志在线刊登。
效率问题已困扰科学家多年。氢气与氧气反应生成俗称为双氧水的过氧化氢，双氧水再通过催化剂与甲烷反应生成甲醇。此前，甲烷的转化率很难突破3%，因为“顽皮”的双氧水一旦生成，会很快跑走被稀释而不与甲烷充分反应，另外“活泼”的甲醇也会与甲烷竞争跟双氧水发生反应。
肖丰收和王亮团队从如何锁住顽皮双氧水出发开展研究。“何不试试在反应中也加一个围栏，圈住双氧水。”农民通过羊圈围栏让羊群无法跑走给了他们启发。
他们做的分子围栏非常小，厚度只有分子尺度，圈住的范围只有几百纳米，是在沸石晶体表面刷了一层疏水长链烷烃。“我们用长链烷烃来做‘分子围栏’，这样亲水的过氧化氢就被围在了催化剂里，无法扩散出去。”王亮介绍，而氢气、氧气和甲烷却依然能够进入反应区，同时甲醇生成后能很快跑出来，不会和甲烷竞争反应。
就是这么一层“分子围栏”，在实验中将双氧水的富集浓度达到一万倍，让甲烷氧化反应加快进行。《科学》杂志的匿名评审表示，这项工作针对非常具有挑战性的催化反应，巧妙地设计了与反应步骤相匹配的“分子围栏”的催化剂。
在催化剂的设计上，肖丰收、王亮团队可谓用足了心思。他们用沸石分子筛紧紧地裹住金属纳米颗粒催化中心，就像蛋清裹住蛋黄一样，把金属催化中心稳固了在当中，不会再跑来跑去聚集在一起。
在过去十多年里，肖丰收一直致力于如何将“蛋黄”更高效、绿色地镶嵌到“蛋清”中。通过特殊工艺，科研人员将催化活性纳米颗粒嵌入沸石分子筛，让催化剂更加稳定，从而可以使效率最大化。除了高效外，这个催化剂在制备中也更绿色，“因为我们是通过无溶剂的方式来合成，不会产生污染，而传统的水热方式合成，有些分子筛每合成一吨甚至会产生一百吨废水。”
正是通过对沸石分子筛大量的实验，课题组一步步摸准了催化剂的“脾气”。记者在实验室看到，台面上摆着一个个直筒型的反应釜。肖丰收对记者说：“我们实验室有3000个反应釜，我们以群狼战术，在单位时间内尽可能做更多实验，快速找到有效路径。”
来源：科技金融时报（记者 林洁 通讯员 柯溢能 吴雅兰）
编辑：王姝
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