根据一项近日发表在《自然·通讯》上的新研究，来自我国海南大学的科学家，在“可燃冰”利用领域实现重大突破。下面我们来看看这具体是怎么回事。
地球上的深海沉积物或永久冻土层中，存在着一种看上去很像冰的物质，由于它们可以被火点燃，因此就被人们称为“可燃冰”，实际上，它们的主体其实就是一种在高压低温的环境中，大量的甲烷被困在由水分子构成的晶体结构中所形成的甲烷水合物。
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“可燃冰”在地球上的储量很大，根据科学家的估算，全球“可燃冰”所蕴含的碳资源，大概是地球上所有已探明的煤、石油和天然气总和的两倍多。
对于我们人类来讲，这无疑是一个极为庞大的能源宝库，但直到现在，我们仍然没有对“可燃冰”进行大规模利用，为什么呢？
原因简单来讲就是，我们把“可燃冰”从深海里开采上来之后，它们就离开了能使其稳定存在的高压低温环境，于是其中的甲烷很快就会以气体的形式大量的释放出来，稍不注意就会发生泄露，对环境造成污染，另一方面，如何安全高效地进行大规模的甲烷气体储存和运输，也一直是个令人头大的问题。
那有没有什么办法，能把这些从“可燃冰”里释放出来的甲烷气体，转化成一种容易储存和运输的燃料呢？
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答案是肯定的，比如说有一种理论上可行的方法就是，我们可以利用氧气作为氧化剂，通过化学反应将甲烷（CH4）转化为甲醇（CH3OH），而甲醇在常温常压下是稳定的液体，运输起来方便又安全，它们不但是优质的燃料，而且也是生产各种化工产品的重要原料。
然而想要把这种方法变成现实，却面临着巨大的困难，那就是甲烷的碳-氢键能高达434千焦/摩尔，非常稳定，通常情况下，至少需要数百摄氏度的高温才有可能将其转化为甲醇。
而在高温条件下，生成的甲醇很容易继续和氧气反应，进而被过度氧化为二氧化碳，如此一来，所谓的转化就相当于转化了个寂寞，还会向大气层中排放温室气体……
实际上，此次研究正是在这个领域实现了重大突破。
过去的日子里，人们已经发现，在甲烷到甲醇的转化中，钯（Pd）是一种可用的催化剂，科学家也尝试了多种方法，例如将钯和其他金属做成合金，或者将其负载在各种材料上，但始终没有达到理想的效果。
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此次研究也是使用了钯作为催化剂，但与过去研究不同的是，科学家将研究重点放在了催化剂的“晶面”上。
简单来讲，钯原子在纳米尺度下，会形成多种晶体结构，不同的晶体结构暴露出的表面也不一样，这个表面就是所谓的晶面，由于催化反应其实是发生在催化剂的表面，因此不同的晶面，其催化效果也会存在差异。
在此次研究中，科学家根据理论进行了大量的实验，通过从原子层面精准地调控催化剂的晶面，来“定制”并测试它们的催化效果，最终成功合成出一种效果极佳的纳米钯催化剂。
根据介绍，这是一种钯{111}晶面占主导的催化剂，实验结果表明，在70℃、3兆帕的温和反应条件下，其催化甲烷生成甲醇的效率，达到了每克催化剂每小时201.8毫摩尔，而这样的效率大约是传统钯{100}晶面的3倍，可谓是一骑绝尘。
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更令人惊叹的是，它的选择性达到了99.7%，也就是说，在所有参与反应的甲烷中，有99.7%都会乖乖地变成了我们想要的甲醇。
除此之外，该催化剂对目标产物（也就是甲醇）还具有一种被称为“快速释放”的特性，甲醇分子一旦生成，催化平台就会迅速将其排出反应界面，从而几乎完美地解决了前面提到的过度氧化问题。
不得不说，这实在是一个好消息，此次研究可以说是在“可燃冰”利用领域迈出了非常关键的一步。可以想象的是，随着相关技术的持续进步，在不远的未来，“可燃冰”的开采可能就是在开采现场直接利用这种高效催化剂，将其蕴含的甲烷转化为液态的甲醇，从而安全高效地实现对“可燃冰”的大规模利用。
参考资料：Deng, P., Xu, Y., Wu, D. et al. Pd nanocatalysts engineering for direct oxidation methane-to-methanol with 99.7% selectivity. Nat Commun 16, 7710 (2025)，doi.org/10.1038/s41467-025-63067-0
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