Apabila ia datang kepada gas asli, anda tidak boleh menjadi tidak biasa dengannya, dan pada masa kini tiada isi rumah boleh memasak tanpa ia. Komponen utama gas asli adalah metana, yang merupakan salah satu sebatian hidrokarbon yang paling mudah. Mempercepat pembangunan dan penggunaan metana adalah kunci untuk merealisasikan pembangunan hijau dan industri tenaga dan industri kimia. Sebagai tambahan kepada penggunaan langsung sebagai bahan bakar, metana juga boleh digunakan sebagai sumber C1, iaitu, molekul yang mengandungi atom karbon dan boleh terus ditukar untuk menyediakan bahan kimia bernilai tinggi, seperti metanol, formik asid dan sebagainya. Metana boleh dibakar dalam oksigen untuk membentuk air dan karbon dioksida. Tanpa pembakaran, adakah mungkin untuk mengaktifkan dan menukar ikatan hidrokarbon molekul metana di bawah keadaan ringan? Jawapannya ya! Ini adalah tindak balas "Holy Grail" dalam bidang pemangkinan. Reaksi yang dikaitkan dengan "grail suci" sering sangat mencabar, kerana mereka mungkin perlu dijalankan di bawah keadaan yang sangat keras, atau mereka mungkin perlu mengatasi kesulitan yang wujud dalam tindak balas kimia, seperti pengaktifan sebatian yang sangat stabil, rendah hasil, dan selektiviti yang rendah. Cabaran -cabaran ini menjadikannya sukar untuk merealisasikan reaksi -reaksi ini, tetapi jika mereka dapat dicapai dengan jayanya, mereka akan membawa kepada penemuan penting dalam penyelidikan saintifik dan aplikasi perindustrian.
1. Penukaran dalam penukaran metana pada suhu rendah Sangat sukar untuk menukar metana terus ke bahan kimia berguna yang lain dengan oksigen murah pada suhu rendah atau suhu bilik, mengapa itu? Mari kita lihat sifat metana dan oksigen. Struktur kimia metana mengandungi empat ikatan karbon hidrogen yang sama (CH) yang membentuk konfigurasi orthotetrahedral yang sangat simetri, dan setiap ikatan metana CH3-h mempunyai tenaga ikatan sehingga 435 kJ/mol. Kita boleh memikirkan ikatan CH metana sebagai musim bunga yang sangat kuat. Musim bunga ini sangat taut dan memerlukan banyak daya untuk meregangkan. Dalam kimia, "daya" ini adalah tenaga yang diperlukan untuk memecahkan ikatan CH. Tenaga ikatan yang tinggi ini menjadikan ikatan CH metana termodinamik stabil dan sangat sukar untuk dipecahkan atau bertindak balas dengan keadaan normal. Sebaliknya, dalam tindak balas kimia, kumpulan reaktif biasanya dihasilkan di bawah interaksi kutub (interaksi polar adalah fenomena bahawa molekul mempunyai satu hujung yang positif dan lain -lain yang dikenakan negatif), sedangkan struktur simetri dan sifat nonpolar molekul metana menghalang Ia dari menghasilkan polaritas tersebut (mengikut konfigurasi molekul, molekul dengan satah simetri tidak mempunyai polaritas) dan tidak dapat menyediakan kumpulan reaktif. Oleh itu, pengaktifan dan penukaran metana sangat mencabar dan biasanya memerlukan keadaan yang keras seperti suhu tinggi (600-1100 ° C) atau beberapa "ekstremofil" seperti asid super kuat dan radikal bebas untuk membantu pengaktifan metana. Oleh itu, kesukaran utama dalam merealisasikan pengaktifan suhu rendah metana dan oksigen terletak pada cara mengaktifkan ikatan CH metana, iaitu, bagaimana untuk meregangkan "musim bunga" dalam ikatan CH. 2. keajaiban pemangkin Para saintis datang dengan penyelesaian yang baik untuk masalah ini, dan memilih untuk menggunakan pemangkin untuk membantu mengaktifkan metana pada suhu rendah (pemangkin adalah bahan kimia yang tidak berubah sebelum atau selepas tindak balas, tetapi mempercepatkan tindak balas dengan mengubah jumlah minimum tenaga yang perlu disuntik untuk reaksi berlaku). Pada tahun 2023, Jurnal Catalysis Nature melaporkan mengenai proses mencapai penukaran langsung metana dengan oksigen ke oksida C1 (metanol (CH3OH), asid formik (HCOOH), dan metilena glikol (HOCH2OH)) menggunakan molibdenum disulfida tertentu (MOS2) pemangkin pada 25 ° C. Penukaran metana sebanyak 4.2% dan hampir 100% oksigen C1 dicapai dengan menjadikan metana dan oksigen menjadi oksigen C1 yang berharga di bawah keadaan ambien. MOS2 ini adalah satu -satunya pemangkin yang dilaporkan setakat ini yang dapat merealisasikan penukaran suhu bilik metana dan oksigen. Ini semua disebabkan oleh geometri unik dan struktur elektronik tapak MO di pinggir MOS2. Tapak MO ini mempunyai aktiviti pengaktifan yang tinggi ke arah oksigen dalam persekitaran berair, membentuk spesies O = MO = O* ajaib. Spesies ini menjadikan ikatan karbon hidrogen lebih mudah untuk memecahkan dan mengurangkan tenaga pengaktifan ikatan CH metana, sehingga meningkatkan kereaktifan metana, dan dengan itu menyedari pengaktifan suhu rendah metana dan oksigen. Penemuan ini akan membawa lebih banyak kemungkinan untuk penggunaan tenaga masa depan dan perlindungan alam sekitar, serta memberi kita pemahaman yang lebih mendalam tentang peranan pemangkin dan pembantu yang luar biasa.
3. Kepentingan strategik yang signifikan terhadap pengaktifan suhu rendah metana Menyedari penukaran pemangkin langsung metana dan oksigen pada suhu bilik, dan menukarkan metana dalam gas asli ke dalam bahan kimia berguna yang lain, dapat meningkatkan kadar penggunaan gas asli, mengurangkan sisa, dan lebih baik melindungi alam sekitar dan merealisasikan perkembangan tenaga yang mampan . Kedua, sebagai gas rumah hijau, metana adalah kedua hanya untuk karbon dioksida dalam sumbangannya kepada pemanasan global. Sekiranya metana boleh ditukar kepada bahan -bahan lain, ia dapat membantu kita mengurangkan pelepasan bahan pencemar udara (contohnya oksida karbon, nitrogen oksida, oksida sulfur, hidrokarbon, dan sebatian eter) dan memudahkan tekanan pemanasan global.
