创新背景

气候变暖的罪魁祸首并不是只有二氧化碳，甲烷也是一种温室气体。它主要来源于开采天然气和石油、废物处理和农业活动，燃烧后释放二氧化碳，进而危害气候环境。处理甲烷通常是将羟基（OH）添加到甲烷分子中使4其转化为甲醇，理想情况下会将许多来源小规模的泄漏气体捕获，然后将其用作化学原料。但羟基化反应经常发生在消耗大量初级天然气的大型甲醇工厂的高温下，对于来自小规模来源的“残余甲烷”并不是一个好的解决方案。

创新过程

鲁汶大学的研究人员和其他国家的科学家合作，从自然中获取灵感，发现一种可以加速反应并有效地将甲烷转化为甲醇的催化剂，有助于处理小规模来源的残余甲烷，相关研究成果《笼效应控制沸石中甲烷羟基化的机理》发表在2021年7月出版的《科学》上。

沸石中具有微观小孔隙的矿物在其他工业过程中常被用作催化剂，研究人员在沸石的作用效应中看到了特殊的分子效应，发现一种可以确保物质可以轻易“羟基化”甲烷的方法。研究人员表示，在特定类型的沸石中，如铁原子等化学活性成分被锁在“笼子”里，防止中间反应产物逸出，从而使其他铁原子失活。

“笼效应”使得沸石中的所有铁原子都保持活跃，可以继续将甲烷转化为甲醇。研究人员从自然界中的笼效应获得灵感，在环境正常温度下，用铁原子将生物细胞转换碳氢化合物。在细胞中，这种作用可防止一些自由基（高活性中间体）在其他地方造成损害。因此，新研究可以被视为仿生学的一个典型例子，

在这种情况下，科学家通过为化学促进剂物质（特定的沸石）配备酶的现有特性（称为生物催化剂）来借鉴自然界。研究人员使用Mössbauer和Raman光谱以及随附的模拟研究了失活机制。发现不同沸石晶格中含有的相似活性位点因为沸石孔径大小不同，对甲烷的反应明显不同。在具有大孔径的沸石中，铁活性位点从甲烷中剥离氢后，产生的甲基自由基可以泄漏并使其他铁中心失活。具有更紧密孔径的沸石可以将自由基保持在附近更长时间，有利于甲醇的形成。

新发现需要通过进一步的研究来达到甲烷到甲醇的转化反应，该反应也可以在工业上扩大规模。通过笼效应，可以开始更好地管理和指导催化剂中的反应机理。

创新关键点

从沸石自然反应中发现“笼效应”，仿生研究甲烷羟基化的机制。

创新价值

新发现有助于将残余甲烷转化为甲醇，推动催化剂化学领域的其他研究，使化学反应在许多工业和环境应用中更有效率。