來(lái)源：MAX-PLANCK-GESELLSCHAFT

對于氣候、原材料資源和化學(xué)工業(yè)來(lái)說(shuō)，這將是一個(gè)三贏(yíng)。柏林馬克斯普朗克學(xué)會(huì )Fritz-Haber研究所的科學(xué)家們希望通過(guò)他們的工作，為從石油生產(chǎn)過(guò)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。他們正在研究如何設計一種比目前更有效地將甲烷轉化為乙烯的催化劑。他們現在找到了一條突破性的線(xiàn)索。

每年大約有1400億立方米的甲烷在全球石油生產(chǎn)過(guò)程中逸出，被燃燒掉。這遠遠超過(guò)了德國2019年預計消耗的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(gè)別石油生產(chǎn)地點(diǎn)偶然提取的相對少量的甲烷，修建管道或液化工廠(chǎng)將無(wú)利可圖。然而，如果甲烷能夠經(jīng)濟地轉化為化學(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，將甲烷直接轉化為乙烯的化學(xué)反應是在高溫下進(jìn)行的。馬克斯普朗克學(xué)會(huì )弗里茨哈伯研究所的研究小組負責人安妮特·特倫施克（Annette Trunschke）說(shuō)：“這不僅耗費大量能源，而且會(huì )導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(diǎn)。這就是為什么他們把目光投向了這個(gè)過(guò)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)轉化為乙烯，盡管目前僅在700°C下進(jìn)行。為了開(kāi)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(jìn)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的重要性。根據Trunschke小組的研究，這種基本成分是鈉。

Trunschke說(shuō)：“到目前為止，關(guān)于催化劑中的哪種元素對于將甲烷轉化為乙烯有著(zhù)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(shí)際上應該在反應的高溫下蒸發(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(huì )在短時(shí)間內以很小的量釋放出來(lái)，因此不會(huì )蒸發(fā)。Trunschke說(shuō)：“這清楚地表明，催化劑的其他成分只需要釋放和穩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(gè)結論是因為他們是首次觀(guān)察催化劑作用的人。他們在一個(gè)特別開(kāi)發(fā)的裝置中使用拉曼光譜，分析了當反應的起始物質(zhì)流過(guò)催化劑時(shí)，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(jìn)行的分析只在非工作催化劑上進(jìn)行”，馬克西米利安·沃尼（Maximilian Werny）說(shuō)，他在碩士論文中做了這些實(shí)驗。“利用拉曼光譜，我們首次觀(guān)察到了產(chǎn)物是如何產(chǎn)生的”。

獲得甲烷轉化為乙烯的實(shí)時(shí)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(kāi)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，并測試相應的催化劑是否在較低溫度下產(chǎn)生乙烯。Trunschke說(shuō)：“你可能需要其他部件來(lái)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(dòng)模式�；瘜W(xué)家們應該能夠開(kāi)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(diǎn)貢獻。

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