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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?nèi)粘Ｉ钕⑾⑾嚓P(guān)，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(gè)范疇。石油化工是關(guān)系著能源的主要供應(yīng)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(chǎn)石油產(chǎn)品和石油化工產(chǎn)品的加工工業(yè)。生產(chǎn)石油產(chǎn)品就是煉油，主要包括各種燃料油（汽油、煤油、柴油等）、潤(rùn)滑油，及液化石油氣、瀝青等。

生產(chǎn)石油化工產(chǎn)品主要分兩部分：首先是對(duì)原料油和氣進(jìn)行裂解，生成以乙烯等為代表的基本化工原料， PX（二甲苯）項(xiàng)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(chǎn)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(chǎn)的聚乙烯，就是我們常見(jiàn)的塑料包裝袋的材料。

可以說(shuō)，我們?nèi)粘Ｉ钪械摹耙隆⑹?、住、行”樣樣都離不開(kāi)石化產(chǎn)品。沒(méi)有石油化工生產(chǎn)出來(lái)的基本化工原料，制藥廠就沒(méi)有化學(xué)原料來(lái)制備藥品，紡織廠也沒(méi)有化纖來(lái)做衣服，礦泉水公司就沒(méi)有塑料瓶來(lái)裝水，汽車廠沒(méi)有橡膠來(lái)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(chǔ)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)石油儲(chǔ)量，有可能未來(lái)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(zhuǎn)化法將甲烷轉(zhuǎn)化，就是先讓水蒸氣和甲烷一起發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，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(xué)反應(yīng)合成其他化工原料及油品。這種方法比較復(fù)雜、消耗能量大、生產(chǎn)成本高。

甲烷的直接轉(zhuǎn)化利用，就是省去了水蒸氣和甲烷反應(yīng)生成混合氣體的環(huán)節(jié)，直接由甲烷轉(zhuǎn)化為化工原料。因?yàn)樯僖坏拦ば?，甲烷的直接轉(zhuǎn)化在化工生產(chǎn)中就更有吸引力。然而，由于甲烷的分子結(jié)構(gòu)非常穩(wěn)定，要讓它發(fā)生化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化所需要的能量很高，反應(yīng)不容易進(jìn)行。

3. 催化劑及化工使用現(xiàn)狀

有一種方法能夠讓化學(xué)反應(yīng)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(guò)提供另一活化能較低的反應(yīng)途徑而加快化學(xué)反應(yīng)速率，而本身的質(zhì)量、組成和化學(xué)性質(zhì)在參加化學(xué)反應(yīng)前后保持不變的物質(zhì)。

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

于是他仔細(xì)觀察，發(fā)現(xiàn)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(shù)一樣把蜜桃酒“變”成了醋酸。他非常興奮，后來(lái)研究發(fā)現(xiàn)，是鉑金粉末加快了乙醇（酒精）和空氣中的氧氣發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，生成了醋酸。鉑金粉末就是人類發(fā)現(xiàn)的第一種催化劑。

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

4. 甲烷室溫轉(zhuǎn)化與納米限域催化

研制甲烷室溫轉(zhuǎn)化的催化劑對(duì)科學(xué)家來(lái)講也是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)，被認(rèn)為是化學(xué)領(lǐng)域“圣杯”式的難題。中科院大連化物所的包信和院士，帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)一直致力于甲烷轉(zhuǎn)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(zhuǎn)化。

通常情況下，要調(diào)控金屬催化劑的活性，一般會(huì)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(lái)實(shí)現(xiàn)，也就是說(shuō)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(xué)家沒(méi)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(kāi)始科學(xué)家發(fā)現(xiàn)，把金屬催化劑納米顆粒組裝到碳納米管的管腔內(nèi)，就像我們把一顆玻璃彈珠放到水管內(nèi)壁一樣，此時(shí)納米顆粒的特性會(huì)發(fā)生變化，它的催化反應(yīng)性能提高了，科學(xué)家將這種現(xiàn)象定義為納米限域催化。

后來(lái)，科學(xué)家發(fā)現(xiàn)不僅僅是碳納米管，石墨烯也存在納米限域催化效果?？茖W(xué)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(gè)空間中的電子環(huán)境非常獨(dú)特，可以使催化反應(yīng)明顯加快。

在這個(gè)方法的指引下，科學(xué)家又經(jīng)過(guò)幾年的努力，設(shè)計(jì)了一系列石墨烯限域過(guò)渡金屬催化材料，終于實(shí)現(xiàn)在室溫條件下，以雙氧水為氧化劑，可以直接將甲烷催化轉(zhuǎn)化為甲醇等基本化工原料。

不僅僅是甲烷催化，事實(shí)上，納米限域催化的研究為整個(gè)化工領(lǐng)域的催化劑研制提供了很好的創(chuàng)新思路和方法。在這個(gè)方法的幫助下，科學(xué)家已經(jīng)為好幾種化工反應(yīng)找到了更高效的催化劑，并且其中一些成果已經(jīng)成功實(shí)現(xiàn)工業(yè)生產(chǎn)。

如在對(duì)煤的催化轉(zhuǎn)化中，科學(xué)家發(fā)明了“OX-ZEO”方法，使用新型催化劑，煤的催化轉(zhuǎn)化過(guò)程不再需要水的參與，只需要一步就能完成。比傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)化工藝能耗低，工藝簡(jiǎn)化。這項(xiàng)技術(shù)在2019年9月已經(jīng)在工廠中實(shí)驗(yàn)成功，未來(lái)在工業(yè)上將具有巨大的競(jìng)爭(zhēng)力。

催化劑對(duì)于化工生產(chǎn)的重要性不言而喻，對(duì)于催化劑的研究和改進(jìn)，將是一條漫長(zhǎng)又艱難的探索之路，值得慶幸的是，我們已經(jīng)邁開(kāi)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

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