來源：MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT

對于氣候、原材料資源和化學(xué)工業(yè)來說，這將是一個三贏。柏林馬克斯普朗克學(xué)會Fritz-Haber研究所的科學(xué)家們希望通過他們的工作，為從石油生產(chǎn)過程中通常燃燒的甲烷中提取塑料等有用的化學(xué)產(chǎn)品奠定基礎(chǔ)。他們正在研究如何設(shè)計一種比目前更有效地將甲烷轉(zhuǎn)化為乙烯的催化劑。他們現(xiàn)在找到了一條突破性的線索。

每年大約有1400億立方米的甲烷在全球石油生產(chǎn)過程中逸出，被燃燒掉。這遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了德國2019年預(yù)計消耗的900億立方米天然氣。這不僅加劇了氣候變化，而且浪費了不可再生的化石燃料。然而，對于在個別石油生產(chǎn)地點偶然提取的相對少量的甲烷，修建管道或液化工廠將無利可圖。然而，如果甲烷能夠經(jīng)濟地轉(zhuǎn)化為化學(xué)工業(yè)感興趣的物質(zhì)，那么運輸甲烷是值得的。乙烯就是其中之一，它是聚乙烯和許多其他產(chǎn)品的原料。這些產(chǎn)品幾乎完全由原油生產(chǎn)。不幸的是，將甲烷直接轉(zhuǎn)化為乙烯的化學(xué)反應(yīng)是在高溫下進行的。馬克斯普朗克學(xué)會弗里茨哈伯研究所的研究小組負(fù)責(zé)人安妮特·特倫施克（Annette Trunschke）說：“這不僅耗費大量能源，而且會導(dǎo)致很大比例的甲烷燃燒，形成不受歡迎的副產(chǎn)品二氧化碳。”。“所以現(xiàn)在還不太合理”。

鈉是必不可少的成分

化學(xué)家和她的團隊想要改變這一點。這就是為什么他們把目光投向了這個過程的決定性組成部分：由鈉、錳、鎢和硅制成的催化劑。這有助于甲烷化學(xué)轉(zhuǎn)化為乙烯，盡管目前僅在700°C下進行。為了開發(fā)在較低溫度下工作的催化劑（即能量輸入較少）并僅促進所需產(chǎn)物的形成，化學(xué)家首先需要知道催化劑中對該反應(yīng)的重要性。根據(jù)Trunschke小組的研究，這種基本成分是鈉。

Trunschke說：“到目前為止，關(guān)于催化劑中的哪種元素對于將甲烷轉(zhuǎn)化為乙烯有著至關(guān)重要的理論。“令人驚訝的是，鈉是所有物質(zhì)中的重要成分，因為它實際上應(yīng)該在反應(yīng)的高溫下蒸發(fā)”。然而，這項研究揭示了一些其他的東西。在高溫下，堿金屬被轉(zhuǎn)化為具有催化活性的氧化鈉。由于與催化劑的其他組分有密切的相互作用，氧化物只會在短時間內(nèi)以很小的量釋放出來，因此不會蒸發(fā)。Trunschke說：“這清楚地表明，催化劑的其他成分只需要釋放和穩(wěn)定催化劑的活性形式。”。

與工作催化劑的帶電連接

研究人員得出這個結(jié)論是因為他們是首次觀察催化劑作用的人。他們在一個特別開發(fā)的裝置中使用拉曼光譜，分析了當(dāng)反應(yīng)的起始物質(zhì)流過催化劑時，催化劑上產(chǎn)生了哪些物質(zhì)。“到目前為止，對催化劑的研究只限于催化前后。到目前為止，在高溫下使用拉曼光譜進行的分析只在非工作催化劑上進行”，馬克西米利安·沃尼（Maximilian Werny）說，他在碩士論文中做了這些實驗。“利用拉曼光譜，我們首次觀察到了產(chǎn)物是如何產(chǎn)生的”。

獲得甲烷轉(zhuǎn)化為乙烯的實時圖像的可能性，以及對鈉、錳、鎢和硅組成的催化劑的了解，都有助于化學(xué)家開發(fā)出在較低溫度下工作的化學(xué)介質(zhì)，從而以更具針對性的方式只生產(chǎn)所需的有用產(chǎn)品而不產(chǎn)生二氧化碳。一種方法是用其他堿金屬代替鈉，并測試相應(yīng)的催化劑是否在較低溫度下產(chǎn)生乙烯。Trunschke說：“你可能需要其他部件來固定金屬。”。然后，她和她的團隊將能夠遵循替代催化劑候選人的行動模式�；瘜W(xué)家們應(yīng)該能夠開發(fā)出一種催化劑，它將有助于防止石油生產(chǎn)中甲烷的浪費，并至少對氣候保護做出一點貢獻(xiàn)。

原文網(wǎng)址：https://www.mpg.de/15938394/methane-crude-oil-production-catalyst?c=2249

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