當甲烷在催化劑中“變身”甲醇時，微小的分子運動竟決定著能源轉化效率的成??？近日，英國哈維爾科學與創新園區、格拉斯哥大學聯合團隊在《Frontiers of Chemical Science and Engineering》發表研究，利用準彈性中子散射（QENS）技術首次觀測到：甲醇分子在三種銅負載沸石中的擴散速度差異達2.5倍，且隨溫度呈現反常波動。這一發現為破解甲烷直接制甲醇（MTM）催化效率低下的難題提供了“分子級導航圖”。

能源轉化的“分子堵車”難題

作為塑料、燃料的基礎原料，甲醇的全球年產量超1億噸。傳統生產需將甲烷（天然氣主要成分）先轉化為合成氣，再經多步反應制得，流程復雜如“繞遠路送貨”?？茖W家一直試圖“抄近道”：讓甲烷在銅沸石催化劑作用下直接氧化為甲醇，就像“把煤炭直接煉成汽油”。

銅沸石的微孔結構如同“分子迷宮”，銅離子則是“反應站點”。但現實困境是：甲烷轉化為甲醇后，產物分子常被困在“迷宮”中，反而被過度氧化成無用的二氧化碳，導致MTM轉化率長期低于1%?！凹状挤肿拥臄U散速度，就像迷宮出口的通行效率，直接決定催化反應的‘吞吐量’?！毖芯繄F隊解釋。

中子散射“超級顯微鏡”：捕捉皮秒級分子舞蹈

為看清分子運動，團隊啟用了QENS這一“納米級高速攝像機”。中子對氫原子（甲醇分子含4個氫原子）的散射靈敏度極高，能記錄萬億分之一秒內的分子位移。實驗選取三種常見銅沸石（MOR、SSZ-13、ZSM-5），在27℃至102℃區間追蹤甲醇動態。

結果顯示，甲醇分子并非“勻速跑”，而是“跳格子”——在某個位點振動約50-90皮秒（1皮秒=萬億分之一秒）后，突然“跳躍”到相鄰位點，如同“課間操時的原地跳動與突然換隊”。這種“跳躍擴散”的速度差異顯著：SSZ-13中最快（2.59×10?1? m2·s?1），ZSM-5次之，MOR最慢（1.04×10?1? m2·s?1）。

“沸石的‘戶型’決定通行效率?！眻F隊分析，SSZ-13的硅鋁比最高（12），酸性位點少，銅離子分布稀疏，如同“寬敞的單車道”；而MOR酸性位點密集，甲醇分子易被氫鍵“粘住”，好比“擠滿人的狹窄走廊”。

溫度升高，分子反而“減速”？反?，F象藏玄機

實驗中一個反常識發現引發關注：通常溫度升高分子運動加速，但SSZ-13中的甲醇在52℃時擴散系數反而從2.6×10?1? m2·s?1降至2.2×10?1? m2·s?1，像“高速路上突然減速”。

結合非彈性中子散射（INS）技術，團隊揭開謎底：溫度升高時，部分甲醇在酸性位點形成甲氧基（-OCH?），如同“路面施工障礙物”；同時銅離子周圍的甲醇分子易“抱團”形成簇，增加運動阻力。這兩種效應疊加，導致分子運動“時快時慢”，呈現非阿倫尼烏斯行為。

定制“分子高速路”：提升甲醇產能新路徑

“調控擴散速度，可通過‘裝修’沸石實現。”研究指出，未來可通過調整硅鋁比減少酸性位點，或優化銅離子分布避免分子“扎堆”，讓甲醇分子“跑”得更順暢。例如，若將SSZ-13的銅含量從3.53%適當降低，可能進一步提升擴散效率。

這項研究不僅為MTM催化劑設計提供依據，更展示了中子散射技術在揭示微觀動態中的獨特價值。正如論文通訊作者Ian Silverwood所言：“看清分子的‘舞姿’，才能教會它們跳得更高效?！?/p>

來源: 化學工程前沿FCSE