甲烷和甲醇，一個具有産量優勢，一個極具産品優勢，科學家一直想為其牽線搭橋，但過于活潑的“性格”卻讓甲醇選擇性活化和定向轉化成為世界性難題。

經過3年多的集中攻關，浙江大學教授肖豐收和研究員王亮團隊，構築起了一系列“分子圍欄”多相催化劑體系，在70℃的溫和條件中将甲烷高效率轉化為甲醇，轉化率為17.3%，甲醇選擇性達到92%，是當前的最高水平。這項研究近日被《科學》雜志在線刊登。

效率問題已困擾科學家多年。氫氣與氧氣反應生成俗稱為雙氧水的過氧化氫，雙氧水再通過催化劑與甲烷反應生成甲醇。此前，甲烷的轉化率很難突破3%，因為“頑皮”的雙氧水一旦生成，會很快跑走被稀釋而不與甲烷充分反應，另外“活潑”的甲醇也會與甲烷競争跟雙氧水發生反應。

肖豐收和王亮團隊從如何鎖住頑皮雙氧水出發開展研究。“何不試試在反應中也加一個圍欄，圈住雙氧水。”農民通過羊圈圍欄讓羊群無法跑走給了他們啟發。

他們做的分子圍欄非常小，厚度隻有分子尺度，圈住的範圍隻有幾百納米，是在沸石晶體表面刷了一層疏水長鍊烷烴。“我們用長鍊烷烴來做‘分子圍欄’，這樣親水的過氧化氫就被圍在了催化劑裡，無法擴散出去。”王亮介紹，而氫氣、氧氣和甲烷卻依然能夠進入反應區，同時甲醇生成後能很快跑出來，不會和甲烷競争反應。

就是這麼一層“分子圍欄”，在實驗中将雙氧水的富集濃度達到一萬倍，讓甲烷氧化反應加快進行。《科學》雜志的匿名評審表示，這項工作針對非常具有挑戰性的催化反應，巧妙地設計了與反應步驟相匹配的“分子圍欄”的催化劑。

在催化劑的設計上，肖豐收、王亮團隊可謂用足了心思。他們用沸石分子篩緊緊地裹住金屬納米顆粒催化中心，就像蛋清裹住蛋黃一樣，把金屬催化中心穩固了在當中，不會再跑來跑去聚集在一起。

在過去十多年裡，肖豐收一直緻力于如何将“蛋黃”更高效、綠色地鑲嵌到“蛋清”中。通過特殊工藝，科研人員将催化活性納米顆粒嵌入沸石分子篩，讓催化劑更加穩定，從而可以使效率最大化。除了高效外，這個催化劑在制備中也更綠色，“因為我們是通過無溶劑的方式來合成，不會産生污染，而傳統的水熱方式合成，有些分子篩每合成一噸甚至會産生一百噸廢水。”

正是通過對沸石分子篩大量的實驗，課題組一步步摸準了催化劑的“脾氣”。記者在實驗室看到，台面上擺着一個個直筒型的反應釜。肖豐收對記者說：“我們實驗室有3000個反應釜，我們以群狼戰術，在單位時間内盡可能做更多實驗，快速找到有效路徑。”

來源：科技金融時報（記者 林潔 通訊員 柯溢能 吳雅蘭）

編輯：王姝

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