【興新聞/媒體公關組】興大與美團隊分析甲烷催化技術 登「科學」期刊

中興大學化工系鄭紀民教授與美國學者合作探究甲烷催化轉化為液體燃料的技術，成果刊登於國際頂尖期刊「科學（Science）」。 甲烷活化之反應機制。 美國史蒂芬科技學院化材系教授Simon Podkolzin（中）與研究團隊合照。

台美跨國團隊研發甲烷催化轉化為液體燃料的新技術！由中興大學化工系教授鄭紀民、美國里海大學化工系教授 Israel E. Wachs及美國史蒂芬科技學院化材系教授 Simon G. Podkolzin所組成的研究團隊，運用分子模擬理論(DFT)與原位拉曼(Raman)光譜分析，深入透析甲烷催化轉化為液體燃料之技術，研究成果已於4月9日（美東時間）登上國際頂尖期刊「科學（Science）」。

鄭紀民表示，氣態的甲烷(CH4)是天然氣的主要成分，在所有碳氫化合物中具有最高的氫碳比，是一種比較清潔的燃料，燃燒後產生的二氧化碳比油、煤少，對環境更友善。然而，30~60％的天然氣儲量並未被適當地運用，主因為氣體的運輸困難且昂貴，無論是液化或建造管道的成本通常過高，不合乎經濟效益。因此，在生產原油的偏遠地區通常是將天然氣直接燃燒或排放，未加以利用。

將甲烷直接催化轉化為液體燃料是國際上的熱門課題之一，目前開發中的技術是直接將甲烷轉化成液態芳香烴單一反應步驟（脫氫與主反應6CH4→C6H6 + 9H2），使用的有效催化劑爲奈米結構金屬氧化鉬附載在形狀選擇性沸石上。相較於其他甲烷活化反應，此技術具有兩項優勢，一為不可能發生完全氧化及爆炸燃燒，因催化過程中不存在氧氣或其它氧化劑，另外，因其穩定性高的特性，也讓偏遠地區的天然氣可液化後便於長途運輸。

但目前商業化的最大問題是催化劑失活速度快和轉化率低。因為缺乏對沸石附載金屬氧化鉬奈米分子結構之理解和其分子結構在反應中之轉變，而讓此催化劑的改善與發展受阻。

研究團隊指出，沸石主要是由矽原子及鋁原子組合而成，不同的矽鋁比值可以製備出不同型態的沸石，並且矽、鋁兩原子在沸石結構中可以排列成不同的催化活性中心，這些活性中心包括Si、Si-Si、Al、Al-Al或Si-Al-Si等等不同鍵結呈現在沸石主結構中或表面上。當添加金屬氧化鉬後，這些活性中心就成為金屬氧化鉬的錨定點，在不同的錨定點會形成不同奈米結構的金屬氧化鉬，這些不同奈米結構的金屬氧化鉬對甲烷活化有不同的催化能力，研究團隊藉由原位拉曼光譜分析奈米結構金屬氧化鉬在當甲烷催化反應之轉變，並利用分子模擬理論確認轉變成碳化鉬之型態結構確實存在，對催化活性中心之深入瞭解後，可以針對催化劑失活和低轉化率加以改善及發展新一代催化劑。

目前人類最主要能源是石油及其衍生物，但終究會被使用殆盡。現今世界各國均積極尋求替代能源，如永續能源，新發現的頁岩油及產量豐盛的天然氣等等，將會對石油燃料及化學製品造成極大的衝擊。藉由分子理論與催化工程實驗之結合，預期此研究成果發表後，對功能性催化劑分子設計觀念的應用及發展有極大助益。

相關網址：http://www.sciencemag.org/content/early/2015/04/08/science.aaa7048.abstract