甲烷比其他温室气体产生更多的变暖，并且是美国新宣布的排放限制的主题，很难分解并远离大气。
并不是说天然气的主要成分在化学上是复杂的。一个甲烷分子只有一个碳原子和四个氢。
但这些碳氢键很难打破。
通常，这涉及高温以及将可燃气体与氧气混合以产生合成气以制造甲醇和氢气以制造氨。那是昂贵的并且有潜在的爆炸性。
其他转化反应效率不高，还会产生最丰富的温室气体二氧化碳。
那么，是否有另一种方法可以使用甲烷并将其排除在大气之外?哪一种既安全又高效?一个返回值?一种有助于应对气候变化的吗?
多年来，Yue Wu 和他在爱荷华州立大学的研究小组一直在寻找方法来完成所有这些实验，这些失败和发现都是在实验中失败的。现在，他们和一组合作者发现并测试了一种催化剂技术，这似乎是一个答案。
“该结果为这一长期挑战提供了潜在的解决方案，并代表了将甲烷转化为乙烷或乙烯(现代石化工业的两种主要前体)的最佳稳定性、转化率和选择性，”吴写的项目总结说。 ，爱荷华州立大学化学工程系赫伯特·L·斯蒂尔斯教授。
最近发表在《自然催化》杂志上的一篇研究论文报告了这一发现。吴和印第安纳州普渡大学戴维森化学工程学院高级研究工程师杨晓为通讯作者。第一作者为李哲，2019年在爱荷华州立大学获得博士学位，现为马里兰州约翰霍普金斯大学博士后研究员。(有关其他共同作者，请参阅侧边栏。)
爱荷华州立大学创新商业化办公室正在为该技术申请专利。
失败导致成功
该催化剂由一层或两层铂组成，每层只有一个原子厚，沉积在称为“MXenes”的二维金属碳化物结构上。在这种情况下，结构由碳、钼和钛制成。
吴说，他的研究小组发现，薄层基本上允许每个铂原子用作催化剂，并防止形成覆盖和使铂失活的残留物。这意味着制造催化剂所需的铂金更少。
吴说，他的团队大约在五年前在海军研究办公室的支持下开始研究碳化物——碳和金属的组合。最初的工作是确定各种碳化物的电学和热学性质。但这项工作并没有像预期的那样进行——材料的热导率远低于预期。
“你可以认为这是一次失败，”吴说。
但是，研究人员发现 MXene 表面非常活跃，能够吸收许多分子。因此，在 Wu 的 Stiles 教授职位和爱荷华州立工程学院的支持下，Wu 的研究小组开始研究这些 MXenes 作为潜在催化剂。
“我们从未见过如此活跃的碳化物，”吴说。“它通常非常惰性。例如，它用于高速钻头 - 表面坚硬且惰性。”
他们开始使用该技术从页岩气中去除氢气，页岩气是在页岩岩层中发现的天然气。这项工作演变为研究涉及天然气的其他反应。
“以前没有人试图将这些碳化物用于这些大容量反应，”吴说。
吴说，甲烷到乙烷/乙烯转化的关键是使碳化物足够纯，并使表面足够干净以支持反应。一切顺利，在连续运行的固定床反应器中，这些反应的甲烷转化率约为 7%，对乙烷/乙烯的选择性约为 95%。产品可制成塑料和树脂，如常见的、无处不在的聚乙烯塑料。
“值得注意的是，这些新型催化剂连续运行 72 小时，没有任何失活迹象，这表明适用于工业规模开发的技术有希望的开端，”吴写道。
他说，这都是非常好的消息。
毕竟，甲烷排放是气候变化的一个重要因素，以至于世界领导人在 COP26 期间采取措施限制它们，最近在苏格兰格拉斯哥举行的联合国气候变化峰会。乔拜登总统宣布美国将采取措施限制现有石油和天然气业务的甲烷排放。100 多个国家还签署了全球甲烷承诺，以在未来九年内将甲烷排放量减少 30%。
研究人员的新催化剂技术可以推动将甲烷排除在大气之外的努力。吴称这项技术是“革命性的”，称它“为未来减少甲烷及其燃烧产物 CO2的排放打开了大门”。
