利用废弃甲烷的新方法

天然气的主要成分甲烷本身就是一种强效的温室气体。最近与UNIST合作的一项研究揭示了甲烷转化为甲醛的高性能催化剂。

这一突破由UNIST的能源与化学工程学院的Kwang-jin Ahn教授及其团队领导，与Ja Hun Kwak教授(UNIST能源与化学工程学院)，Ajou大学的Eun Duck Park教授合作，和汉阳大学的Yoon Seok Jung教授。

在这项工作中，该团队展示了一种由纳米材料组成的优异的“甲烷氧化酶催化剂”。该材料具有稳定的结构和高温下的高反应性，将甲烷转化为甲醛的效率提高了两倍以上。

甲烷和石油一样，可以通过化学反应转化为有用的资源。近年来在美国备受关注的页岩气的主要成分是甲烷，用这种材料制造高附加值资源的技术也被认为是重要的。问题是甲烷的化学结构非常稳定，不易与其他物质发生反应。到目前为止，甲烷主要用作加热和运输的燃料。

需要高于600℃的高温来实现改变甲烷化学结构的反应。因此，需要具有稳定结构并在该环境中保持反应性的催化剂。以前，已知氧化钒(V2O2)和氧化钼(MoO3)是最好的催化剂。当使用这些催化剂时，甲烷的甲醛转化率小于10%。

Ahn教授制造了一种催化剂，可以使用纳米材料将甲烷转化为甲醛。甲醛是广泛用作杀菌剂，防腐剂，功能聚合物等的原料的有用资源。

该催化剂具有核 - 壳结构，该核 - 壳结构由被薄铝膜包围的氧化钒纳米颗粒组成，铝壳围绕氧化钒颗粒。外壳保护颗粒并保持催化剂稳定，即使在高温下也能保持稳定性和反应性。

事实上，当用这种材料测试催化反应时，没有铝壳的氧化钒纳米颗粒在600℃下具有结构损失并丧失催化活性。然而，由核 - 壳结构制成的纳米颗粒即使在高温下也保持稳定。结果，甲烷转化为甲醛的效率提高了22%以上。它将甲烷转化为有用的资源，效率超过两倍。

“催化氧化钒纳米颗粒被薄铝膜包围，有效地防止了内部颗粒的聚集和结构变形，”UNIST化学工程系的Euiseob Yang说，他是本研究的第一作者。“通过用纳米粒子覆盖原子层的新结构，同时具有热稳定性和反应性。”

该研究在催化剂领域的改进方面尤其值得注意，其在30年内没有取得很大进展。自1987年在美国获得专利以来，甲烷生产甲醛的催化技术并没有取得多大进展。

“高效的催化剂技术已经发展到超出技术的极限，这仍然是一项持久的技术，”安教授说。“作为利用丰富自然资源的下一代能源技术，价值很高。”

他补充说：“我们计划扩大催化剂制造技术和催化剂工艺流程，以便我们可以在工业上扩大我们的实验室水平。催化剂技术对化学工业有相当大的影响，并为国家化学工业做出贡献。我想开发一种可以做到的实用技术。“