最近，上海交通大学氢科学中心的翁国明副教授课题组在能源材料领域期刊Advanced Energy Materials上发表了一篇题为“Sustainable Energy Resources for Driving Methane Conversion”的综述论文，上海交通大学作为唯一完成单位。该论文的第一作者是博士研究生陈容，通讯作者为翁国明副教授。
作为仅次于二氧化碳的温室气体，甲烷不仅是人类日常生活中的能源燃料，还是氨、尿素、甲醇、氢气等增值化学品和燃料生产的关键性C1原料。传统的甲烷间接转化工艺主要包含以下两个步骤，首先甲烷重整转化为中间合成气（即一氧化碳和氢气的混合气），然后合成气进一步转化为目标化学品。考虑到该过程的经济成本和环境压力，甲烷直接转化为高附加值化学品的工艺技术一直被不断地研究。
尽管电催化等新型技术也在陆续被开发出来，但是传统电力的过度消耗仍难以缓解不可再生能源的加速枯竭和气候变化危机。通过使用可再生能源，如太阳能和风能，作为驱动催化的能源输入，将能够为甲烷转化提供额外的驱动力。这种节能转化模式不仅可以实现传统能源和可持续能源相辅相成，而且还将促进甲烷转化过程向低碳的转型。
图1 可持续能源驱动的甲烷转化
该综述系统总结了可持续能源驱动的甲烷转化的研究进展。文章涵盖了可持续能源驱动甲烷转化的多个方面，从转化/储存理念和反应器设计到技术成熟度评估，乃至系统优化以及尚存问题都进行了探讨。同时，综述还详细讨论了可持续能源驱动下甲烷转化的本质特征，以及能量平衡、经济和社会效益的评估，指出可持续能源驱动的甲烷转化朝着驱动力多元化发展的重要性。
此外，本综述还旨在架起甲烷转化和可持续能源驱动发展之间的研究桥梁。通过提供一个甲烷转化本质特征框架，帮助人们更好地理解可持续能源驱动甲烷转化的现状，并为未来设计开发更加高效的甲烷可持续转化方案提供思路。
图2 可持续能源驱动甲烷转化的本质特征
在各种可持续能源资源中，太阳能和核能是推动甲烷转化研究成果的主要能源。早期的研究集中在将这些能源转化为热能或电力，并结合成熟的甲烷重整工艺实现转化，但同时伴随大量的CO和CO2副产品。
随着甲烷转化技术的发展，研究人员开始关注使用绿色电力来驱动甲烷的电催化转化，并获得了丰富的低碳燃料，如甲醇和乙醇等。随着光催化技术的发展，研究发现许多半导体材料能够直接利用太阳能激发的光生载流子将甲烷直接转化为各种C1/C2含氧化合物，而无需经过热能或电力的二次转化。然而，该类甲烷转化技术仍面临动力学限制，导致产生副产物或产物选择性降低的问题。此外，在光催化剂表面也会发生甲基自由基的耦合反应，从而生成很少在电催化甲烷转化中产生的乙烯或乙烷。在甲烷的细胞代谢过程中，它可以被氧化为甲醇和CO2等小分子作为最终产物，而无需进行能量的二次转化。其中没有经历过能量的二次转化的微生物驱动甲烷转化的能源效率可高达80%，而其他可持续能源的利用效率远低于60%。因此，在甲烷转化过程中，为了避免中间二次转化过程带来的能量损失，直接利用可持续能源对于提高能源利用效率至关重要。此外，目前只有少数几种可持续能源被应用于甲烷转化，因此还有一些潜在的驱动力值得进一步探索，例如风能和海洋波浪能等。
相信在不久的将来，以可持续能源驱动的绿色甲烷转化技术将大范围普及应用，为人们留下天蓝、地绿、水清的美丽家园。
本项研究得到了国家重点研发计划项目(2022YFC3900700)、上海市氢科学重点实验室、上海交通大学氢科学中心以及上海市高水平海外人才计划等资助。
论文链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202301734
上海交通大学氢科学中心
文稿来源：翁国明教师课题组
图文编辑：房泽宇、樊亚平
责任编辑：王 慧、杨海燕
