天然氣作為一種廉價(jià)而豐富的資源，改變了世界的能源格局。它的主要成分甲烷可以轉(zhuǎn)化為液體燃料甲醇，甲醇還可用作其他日用化學(xué)品的原料。然而，石油鉆探過(guò)程中釋放的甲烷在獲取、運(yùn)輸以及處理方面的效益低下，這意味著大量的甲烷會(huì)被燃燒或排放，向大氣排放有害的溫室氣體。

甲烷直接轉(zhuǎn)化為甲醇將使天然氣的回收更加有效和可持續(xù)。然而，這種轉(zhuǎn)化非常困難。因?yàn)榧淄榈膹?qiáng)碳?xì)滏I需要在高溫下才能斷裂，但若溫度過(guò)高，該反應(yīng)將產(chǎn)生不需要的副產(chǎn)物——CO或CO2。因此，研究人員一直在尋找在低溫下對(duì)甲醇具有高選擇性的催化劑。

研究人員使用先進(jìn)光源(ALS)揭示了水如何促進(jìn)甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇的催化過(guò)程。

一般來(lái)說(shuō)，工業(yè)催化劑是由少量分散在金屬氧化物載體上的金屬組成。在倒置催化劑中，氧化物納米顆粒沉積在金屬基板上。

早期布魯克海文國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的一組研究人員發(fā)現(xiàn)了一種很有效的倒置催化劑CeO2-Cu2O，它能在室溫下有水存在時(shí)將甲烷高選擇性地轉(zhuǎn)化為甲醇。

CeO2的納米顆粒沉積在Cu2O表面

為了證實(shí)這些預(yù)測(cè)并取得水發(fā)揮作用的直接證據(jù)，研究人員在ALS Beamline 9.3.2上使用了環(huán)境壓力X射線(xiàn)光電子能譜（APXPS）。

（a）在450 K下暴露于不同氣體混合物的催化劑表面的C 1s APXPS光譜。將水添加到反應(yīng)原料中時(shí)，會(huì)出現(xiàn)表面吸附的甲氧基（* CH3O）。

（b）在不同溫度下暴露于CH4+O2+H2O 的催化劑表面的C 1s APXPS光譜。即使在300 K（室溫）下也會(huì)出現(xiàn)* CH3O信號(hào)。

將由Cu（111）上的CeO2 -Cu2O催化劑組成的樣品暴露于甲烷、氧氣和水蒸氣的各種組合中。與預(yù)測(cè)一致，結(jié)果顯示，甲醇的直接前驅(qū)體甲氧基(CH3O)在有水存在的催化表面形成。表面甲氧基的出現(xiàn)與甲醇生產(chǎn)的高選擇性密切相關(guān)。

有水時(shí)甲烷選擇性轉(zhuǎn)化為甲醇的步驟示意圖。

APXPS的數(shù)據(jù)，加上理論和模擬工作，確定了水在甲烷到甲醇的轉(zhuǎn)化中起著關(guān)鍵的三重作用：阻止不需要的反應(yīng)，激活所需的反應(yīng)并提取最終產(chǎn)物。

水分子優(yōu)先于活性鈰離子解離，阻止O-O鍵裂解，否則該裂解會(huì)使甲氧基脫氫成CO和CO2。離解的水分子形成吸附的羥基，這些羥基直接將甲烷轉(zhuǎn)化為甲醇。水的吸附將產(chǎn)生的甲醇轉(zhuǎn)移到氣相中，使其能夠被萃取。