甲烷催化燃燒系列（新的甲烷結合工藝可以結束瘋狂浪費的燃燒）

2023-09-14 21:08:30 1

當前，全球石油工業浪費的可燃氣體消耗量，與整個中美洲和南美洲使用的天然氣總量一樣多。但是，一種新的甲烷結合劑為將這種溫室氣體經濟地轉化為液體燃料，提供了一種潛在的途徑。

上圖：石油工業燃燒的「廢物」甲烷，目前燃燒的數量相當於整個南美洲和中美洲的天然氣量的總和。

甲烷是一種毒性很強的溫室氣體，儘管它的壽命相對較短。據估計，在20年的時間跨度內，甲烷排放造成的全球變暖潛勢是二氧化碳的84至87倍。在過去的幾十萬年裡，全球大氣中甲烷的濃度一直相對穩定，但自18世紀50年代和工業革命開始以來卻迅速增加。

它幾乎來自任何地方 —— 引用美國宇航局地球天文臺作家亞當·沃蘭德（Adam Voiland）的話：「你可以在地球表面以下幾英裡和上面幾英裡處，找到這種無味的透明氣體。甲烷從沼澤和河流中冒出來，從火山中噴出，從野火中升起，從奶牛和白蟻的內臟中滲出（在那裡甲烷是由微生物產生的）。人類居住的地方到處都是這種氣體。甲烷從天然氣、油井、管道以及煤礦無聲地洩漏。它在垃圾填埋場、汙水處理廠和稻田中揮發。」

根據國際能源署（IEA）的數據，目前石油生產產生的甲烷約佔整個石油和天然氣行業甲烷排放的40%。石油公司對石油鑽探過程中洩漏的甲烷不感興趣，將它導入天然氣基礎設施的經濟效益並不理想，它既危險又不方便儲存，雖然它可以催化轉化為更有用的液體燃料，如甲醇，但這個過程太昂貴了，不值得考慮。

所以他們燒掉了它，把它燃燒到天空中。這可能比讓它在短期內上升到大氣中更環保 —— 但它會導致大約2.65億噸二氧化碳的排放，而對任何人都沒有起到任何有用的作用。

因此，目前只要有油井，這些多餘的甲烷就需要處理。新南威爾斯大學的研究人員說，他們在甲烷結合方面取得了關鍵突破，為更高效、更有效、更有希望負擔得起的催化轉化打開了大門。

到目前為止，問題一直是如何「讓甲烷分子保持足夠的靜止狀態」來研究它們。根據新南威爾斯大學的說法，研究人員已經能夠使用金屬-甲烷絡合物將甲烷保存在分子「副」中，但只持續了幾微秒。這與在核磁共振波譜設備中正確分析這些分子所需的幾分鐘時間相去甚遠。

新南威爾斯大學團隊使用計算模型試圖預測，其他金屬是否可能與甲烷結合更長時間，結果表明鋨是一種鉑金屬，是自然界中密度最高的元素。該團隊繼續進行實驗，結果令人印象深刻。

新南威爾斯大學的研究小組利用計算模型試圖預測其他金屬是否可能與甲烷結合的時間更長，結果指向了「鋨（osmium）」，一種鉑金屬，也是自然界中密度最高的元素。該團隊繼續進行實驗，結果令人印象深刻。

這項新研究的主要作者詹姆斯·沃森（James Watson）說：「我們發現，甲烷通常是惰性的，它會與以鋨金屬為中心的物種相互作用，形成相對穩定的鋨-甲烷複合體。我們的設施的有效半衰期約為13小時。」

上圖：一種新的鋨基複合物被發現可以非常有效地結合甲烷，半衰期約為 13 小時，而不是以前的微秒級。

「這意味著，綜合體的一半需要13個小時才能分解，」他繼續說。「這種穩定性，加上這種複合物相對較長的壽命，允許深入分析這類（鋨）複合物的結構、形成和反應性，並幫助設計催化劑，有可能將甲烷轉化為更有合成價值的化合物。」

鋨是地球上最稀有的元素之一，但這不太可能是一個因素。重要的是，這些鋨配合物第一次允許進行深入的分子分析，這將導致新的催化過程使用更便宜和更可用的元素，這些元素可以快速、經濟地將甲烷轉化為液體燃料。

該研究的合著者格雷厄姆·鮑爾副教授解釋說：「將甲烷轉化為液體燃料的一種方法是，使用含有過渡金屬元素的催化劑。液體燃料不僅比儲存氣體更方便、更安全，而且能源成本也低得多。」

鮑爾副教授繼續道：「另外，液體燃料更容易運輸。而且可以很容易地整合到我們現有的燃料基礎設施中 —— E10汽油中已經含有10%的乙醇。例如，如果有有效的、商業上可行的方法將甲烷轉化為甲醇，這也將激勵人們保留甲烷用於轉化，並避免無目的地燃燒甲烷，從而減少化石燃料的總體使用量和有害排放。我們希望，我們的發現將為設計下一代、更高效、商業上可行的催化劑提供參考。」

現在，包括甲醇在內的任何液態碳氫燃料都不能被視為環境友好型燃料，因為燃燒它們都會導致二氧化碳排放。但如果它要被燃燒，就像目前正在燃燒的大量甲烷一樣，它就應該為人類做出貢獻，而不是完全被浪費。這是人類努力淨化我們的大氣的過渡步驟，但如果進一步的研究像團隊預期的那樣積極，它就有可能會產生出巨大的影響。

這項研究發表在《自然化學》雜誌上。

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