斯坦福大学和比利时鲁汶大学的一组研究人员进一步阐明了一个有趣的过程，该过程可能是迈向以丰富的甲烷为原料的甲醇燃料经济性的重要一步，这一进步可能从根本上改变世界使用天然气的方式.
甲醇——最简单的酒精——用于制造各种产品，如油漆和塑料，并作为汽油的添加剂。富含氢的甲醇可以驱动新时代的燃料电池，从而产生显着的环境效益。
如果以甲烷为主要成分的天然气可以经济地转化为甲醇，那么由此产生的液体燃料将比天然气和纯氢更容易储存和运输。这也将大大减少天然气加工厂和管道的甲烷排放。今天，逸出的甲烷是一种比二氧化碳强许多倍的温室气体，几乎否定了天然气相对于石油和煤炭的环境优势。该团队在当前版《科学》中的新研究是他们最新的研究，以推进一种从甲烷中生产甲醇的低能量方法。
“这个过程使用被称为铁沸石的常见晶体，已知这些晶体可以在室温下将天然气转化为甲醇，”本杰明·斯奈德解释说，他在斯坦福大学获得博士学位，研究催化剂以解决这一挑战的关键方面。“但是，在实际水平上实现这一化学过程极具挑战性，因为甲烷具有顽固的化学惰性。”
当将甲烷注入多孔铁沸石中时，无需额外的热量或能量即可在室温下快速生成甲醇。相比之下，从甲烷制造甲醇的传统工业过程需要 1000°C (1832°F) 的温度和极高的压力。
“这是一个经济上诱人的过程，但并不那么容易。SLAC 国家加速器实验室化学和光子科学斯坦福大学教授 Edward Solomon 说，重大障碍阻止了这一过程扩大到工业水平。所罗门是这项新研究的资深作者。
保持沸石
不幸的是，大多数铁沸石会很快失活。由于无法处理更多的甲烷，该过程逐渐消失。科学家们一直热衷于研究提高铁沸石性能的方法。这项由斯坦福大学无机化学博士生 Hannah Rhoda 合着的新研究使用先进的光谱学来探索最有前途的用于生产甲烷到甲醇的沸石的物理结构。
“这里的一个关键问题是如何在不破坏催化剂的情况下取出甲醇，”罗达说。
该团队选择了两种有吸引力的铁沸石，研究了铁周围晶格的物理结构。他们发现反应性根据周围晶体结构中孔的大小而显着变化。该团队将其称为“笼子效应”，因为封装晶格类似于笼子。
如果笼子中的孔太大，活性位点在一个反应周期后就会失活，再也不会重新激活。然而，当孔径较小时，它们会协调反应物和铁活性位点之间的精确分子舞蹈——直接产生甲醇并再生活性位点。利用这种所谓的“笼子效应”，该团队能够反复重新激活 40% 的失活位点——这是朝着工业规模催化过程的重大概念进步。
“催化循环——再生位点的持续再生——有朝一日可能会导致从天然气中持续、经济地生产甲醇，”斯奈德说，他现在是加州大学伯克利分校化学系 Jeffrey R. Long 的博士后研究员。
基础科学向前迈出的这一基本步骤将有助于化学家和化学工程师阐明铁沸石用于在室温下生产甲醇的过程，但在这种过程可能被工业化之前还有很多工作要做。
接下来是斯奈德的清单：不仅要在室温下而且要使用环境空气而不是其他一些氧气源(例如这些实验中使用的一氧化二氮)来解决实现该过程的问题。处理像氧气这样在化学反应中很难控制的强氧化剂，将是沿途的另一个相当大的障碍。
目前，Snyder 对所罗门实验室中用于本研究的复杂光谱仪器的说明能力既感到高兴又感到惊讶。这些对于他理解甲烷制甲醇过程中涉及的化学和化学结构非常宝贵。
“如何从这些前几代化学家无法使用的工具中获得一些非常强大的原子级洞察力，比如笼子效应，真是太酷了，”斯奈德说。
