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1. 石油化工

要理解什么是甲烷室溫催化，還要從石油化工講起。

石油化工和我們日常生活息息相關，例如交通工具用到的汽油，包裝用的塑料袋，以及制作衣服的各種化纖材料等等，都屬于石油化工這個范疇。石油化工是關系著能源的主要供應者，也是材料工業(yè)的支柱之一。

石油化工主要指以石油和天然氣為原料，生產石油產品和石油化工產品的加工工業(yè)。生產石油產品就是煉油，主要包括各種燃料油（汽油、煤油、柴油等）、潤滑油，及液化石油氣、瀝青等。

生產石油化工產品主要分兩部分：首先是對原料油和氣進行裂解，生成以乙烯等為代表的基本化工原料， PX（二甲苯）項目就屬于這一類。然后用這些基本化工原料，又可以繼續(xù)生產更多化工原料和合成高分子材料，包括塑料、合成纖維、合成橡膠等。比如用乙烯作原料生產的聚乙烯，就是我們常見的塑料包裝袋的材料。

可以說，我們日常生活中的“衣、食、住、行”樣樣都離不開石化產品。沒有石油化工生產出來的基本化工原料，制藥廠就沒有化學原料來制備藥品，紡織廠也沒有化纖來做衣服，礦泉水公司就沒有塑料瓶來裝水，汽車廠沒有橡膠來制作車胎……

2.從石油到天然氣

作為石油化工原料之一的天然氣，也跟石油一樣，既可以用作能源燃料，也可以用于合成基本化工原料。由于天然氣儲量遠遠超過石油儲量，有可能未來取代石油成為主要能源和化工原料。

天然氣主要成分是甲烷。目前人們通常使用間接轉化法將甲烷轉化，就是先讓水蒸氣和甲烷一起發(fā)生化學反應，生成一氧化碳和氫氣的混合氣體，再讓混合氣體發(fā)生化學反應合成其他化工原料及油品。這種方法比較復雜、消耗能量大、生產成本高。

甲烷的直接轉化利用，就是省去了水蒸氣和甲烷反應生成混合氣體的環(huán)節(jié)，直接由甲烷轉化為化工原料。因為少一道工序，甲烷的直接轉化在化工生產中就更有吸引力。然而，由于甲烷的分子結構非常穩(wěn)定，要讓它發(fā)生化學反應直接轉化所需要的能量很高，反應不容易進行。

3. 催化劑及化工使用現狀

有一種方法能夠讓化學反應變得更容易更高效，就是使用催化劑。催化劑又稱觸媒，是能通過提供另一活化能較低的反應途徑而加快化學反應速率，而本身的質量、組成和化學性質在參加化學反應前后保持不變的物質。

催化劑的發(fā)現源于一次有趣的偶然事件。1835的一天，瑞典化學家貝采里烏斯的妻子過生日，他從實驗室回家，客人們紛紛舉杯向他祝賀，他顧不上洗手就接過一杯蜜桃酒一飲而盡。當他自己斟滿第二杯酒干杯時，卻發(fā)現是酸的，還以為是妻子錯把醋當酒給他喝了。

于是他仔細觀察，發(fā)現酒杯里有少量黑色粉末，正是他手上沾的鉑金粉末，鉑金粉末像變魔術一樣把蜜桃酒“變”成了醋酸。他非常興奮，后來研究發(fā)現，是鉑金粉末加快了乙醇（酒精）和空氣中的氧氣發(fā)生化學反應，生成了醋酸。鉑金粉末就是人類發(fā)現的第一種催化劑。

目前甲烷的直接轉化所選用的催化劑是傳統(tǒng)的過渡金屬，如鐵、鐵鈷等、，但反應仍然需要在600~1100℃這樣高的溫度下才能夠進行。如果有一種催化劑，能夠降低甲烷直接轉化的反應溫度，將節(jié)省大量的能耗，對基礎研究和工業(yè)應用具有重要意義。

4. 甲烷室溫轉化與納米限域催化

研制甲烷室溫轉化的催化劑對科學家來講也是一個巨大的挑戰(zhàn)，被認為是化學領域“圣杯”式的難題。中科院大連化物所的包信和院士，帶領團隊一直致力于甲烷轉化高效催化劑的研究，最近他們終于制備出一種催化劑，能夠直接在室溫條件下完成甲烷的直接轉化。

通常情況下，要調控金屬催化劑的活性，一般會在金屬表面引入表層合金，或者在金屬表面下引入次表層元素來實現，也就是說要么在催化劑表面那層原子的上面加一層合金原子，要么在催化劑表面那層原子的下面加一層別的原子。但這一次，科學家沒有用這種傳統(tǒng)方法，而想了一種新的方法，就是使用納米材料。

最開始科學家發(fā)現，把金屬催化劑納米顆粒組裝到碳納米管的管腔內，就像我們把一顆玻璃彈珠放到水管內壁一樣，此時納米顆粒的特性會發(fā)生變化，它的催化反應性能提高了，科學家將這種現象定義為納米限域催化。

后來，科學家發(fā)現不僅僅是碳納米管，石墨烯也存在納米限域催化效果?？茖W家在金屬表面覆蓋一層石墨烯，就像是把一張紙放到桌子表面一樣，石墨烯和金屬表面形成的限域空間中，這個空間中的電子環(huán)境非常獨特，可以使催化反應明顯加快。

在這個方法的指引下，科學家又經過幾年的努力，設計了一系列石墨烯限域過渡金屬催化材料，終于實現在室溫條件下，以雙氧水為氧化劑，可以直接將甲烷催化轉化為甲醇等基本化工原料。

不僅僅是甲烷催化，事實上，納米限域催化的研究為整個化工領域的催化劑研制提供了很好的創(chuàng)新思路和方法。在這個方法的幫助下，科學家已經為好幾種化工反應找到了更高效的催化劑，并且其中一些成果已經成功實現工業(yè)生產。

如在對煤的催化轉化中，科學家發(fā)明了“OX-ZEO”方法，使用新型催化劑，煤的催化轉化過程不再需要水的參與，只需要一步就能完成。比傳統(tǒng)的轉化工藝能耗低，工藝簡化。這項技術在2019年9月已經在工廠中實驗成功，未來在工業(yè)上將具有巨大的競爭力。

催化劑對于化工生產的重要性不言而喻，對于催化劑的研究和改進，將是一條漫長又艱難的探索之路，值得慶幸的是，我們已經邁開了成功的第一步。

參考資料：

https://www.cell.com/chem/fulltext/S2451-9294(19)30218-9

https://www.pnas.org/content/111/48/17023

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adma.201901996

http://www.cas.cn/cm/201808/t20180828_4661832.shtml

http://news.sciencenet.cn/htmlpaper/2019/6/20196413381577750456.shtm

http://www.cas.cn/syky/201909/t20190923_4715767.shtml

https://zh.wikipedia.org/wiki/%E7%9F%B3%E6%B2%B9%E5%8C%96%E5%AD%A6