在应对全球气候变化的过程中，温室气体的排放问题日益受到重视。其中，甲烷作为一种强效的温室气体，其对全球变暖的影响十分显著，甚至在短期内的温室效应能力可高达二氧化碳的 120 倍。尽管甲烷的总体浓度相对较低，但由于其在大气中的强烈温室效应，甲烷的减排和转化利用成为了科学家们研究的重点。

近日，来自麻省理工学院的研究人员开发出了一种新型的甲烷催化剂，能够在室温和常压下将甲烷转化为有用的聚合物。这一创新不仅有助于减少温室气体排放，还可能为新材料的制造开辟新的途径，该成果以题为“Concerted methane fixation at ambient temperature and pressure mediated by an alcohol oxidase and Fe-ZSM-5 catalytic couple”发表于 Nature Catalysis 期刊。

这项研究的主要作者是麻省理工学院 24 岁博士 Daniel Lundberg、博士后 Jimin Kim，前博士后 Yu-Ming Tu 和博士后 Cody Ritt 也是该论文的作者。

这种新型催化剂主要由两部分组成，分别为一种铁改性硅酸铝（Fe-ZSM-5）的沸石材料，以及一种名为酒精氧化酶（AOX）的酶。沸石是一种类似粘土的矿物质，因其在催化反应中的应用而被广泛研究；酒精氧化酶是一种在自然界中广泛存在的酶，细菌、真菌和植物可以利用它来氧化酒精。

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图 1 | Fe-ZSM-5 和 AOX 对甲烷部分氧化的串联催化作用

这种混合催化剂主要通过两步反应将甲烷转化为有用的聚合物。

第一步：甲烷转化为甲醇。在这一步骤中，甲烷在沸石催化剂的作用下与过氧化氢反应，生成甲醇和水。这个反应在铁活性位点上进行，通过甲基过氧化物作为中间体，实现了甲烷到甲醇的高效转化。

第二步：甲醇转化为甲醛。在第二步中，甲醇在酒精氧化酶的催化下被氧化，生成甲醛和过氧化氢。这个过程中新生成的过氧化氢可以再次用于第一步反应，形成一个持续的催化循环。而且这一步骤中，甲醛的选择性超过了 90%，这一高选择性对于推广其应用于大规模化工生产来说有着显著的优势。

转化过程的一个显著特点是它可以在室温下进行，无需高压。这意味着催化剂可以更容易地部署在甲烷产生的现场，如发电厂和牲畜棚，从而直接在源头减少温室气体排放。催化剂颗粒可以悬浮在水中，吸收周围空气中的甲烷，为实际应用提供了便利。

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图｜尿素-甲醛聚合物形成过程

生成甲醛后，研究人员可以通过添加尿素来利用该分子生成一种树脂状聚合物——尿素甲醛，可用于制造家具颗粒板、纺织品等其他产品。

该课题组目前正在研究催化剂，这种催化剂可用于去除大气中的二氧化碳，并将其与硝酸盐结合生成尿素。然后可以将尿素与沸石-酶催化剂产生的甲醛混合，生成尿素-甲醛。

此外，MIT 的研究人员还设想，这种催化剂可以被纳入用于运输天然气的管道中，在催化剂作用下，甲烷可以生成密封剂并修复管道中的裂缝，从而减少天然气在管道运输过程中的泄露。甚至还可作为涂层覆盖暴露在甲烷气体中的表面上，产生可以收集用于制造的聚合物。

总而言之，MIT 的这项研究为我们提供了一种新的视角来利用甲烷这一温室气体。这种催化剂的开发通过将甲烷转化为有用的聚合物，不仅能够减少其对气候的影响，还能够创造新的材料和产品。这种新型催化剂的开发是朝着更可持续和环保的未来发展迈出的重要一步。

随着全球对减少温室气体排放和寻找替代能源的需求日益增长，MIT 的这项创新技术可能会在未来的环保和工业应用中发挥重要作用。通过这种新型催化剂，我们有望实现甲烷的高效转化，同时开发出新的材料，为应对气候变化和推动可持续发展做出贡献。

参考文献：

1、https://news.mit.edu/2024/new-catalyst-can-turn-methane-into-something-useful-1204

2、https://www.nature.com/articles/s41929-024-01251-z

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