甲烷，作为天然气、页岩气等的主要成分，以其丰富的储备量和低廉的价格而著称。而甲醇，作为一种重要的基础化学品，拥有高附加值和高应用价值。这两位“甲姓兄弟”，一位拥有丰富的资源优势，另一位则展现出强大的产品潜力。科学家们一直在寻找将这两者相结合的有效途径。
在面对甲烷转化甲醇的世界性难题时，浙江大学的肖丰收教授和王亮研究员团队经过三年多的深入研究，成功构建了一系列的“分子围栏”多相催化剂体系。这一创新技术能够在温和的70℃条件下，实现甲烷的高效转化，使转化率达到17.3%，甲醇选择性更是达到了惊人的92%，目前处于行业领先水平。
在化学教科书中，氢气与氧气反应生成过氧化氢，再与甲烷在催化剂的作用下反应生成甲醇的化学反应式是众所周知的。实验中的制备过程却极为困难。过去，甲烷的转化率一直难以突破3%。这主要是由于活泼的双氧水一旦生成，很容易被稀释并快速逃离反应区域，无法与甲烷充分反应。“顽皮”的甲醇也会与甲烷竞争与双氧水发生反应。
在工业生产中，甲醇通常通过煤化工制备，并用于合成烯烃和芳烃等有机原料。作为重要的平台分子，甲醇在化工领域具有举足轻重的地位。它不仅可以作为清洗剂、去油剂使用，还可以作为农、医的原料。更重要的是，甲醇可以进一步制备被誉为“化工之母”的乙烯、丙烯等关键化学品。
针对长期以来甲烷转甲醇反应低效率的问题，肖丰收和王亮团队创新性地提出了通过“分子围栏”来锁住双氧水的想法。他们借鉴了农村羊圈的模型，将反应中的双氧水围住，以提升反应效率。
他们所构筑的“分子围栏”尺寸极小，只有分子尺度的大小，范围仅限于几百纳米，是在沸石晶体表面覆盖一层疏水长链烷烃。这种围栏能够紧紧地围住过氧化氢，使其无法扩散出去。而氢气、氧气和甲烷则能够顺利进入反应区域。这样设计的结果是双氧水的富集浓度在实验中达到了惊人的一万倍，从而加快了甲烷氧化反应的进行。
这一创新技术得到了《科学》杂志的高度评价。匿名评审表示，该工作针对极具挑战性的催化反应，巧妙地设计了与反应步骤相匹配的“分子围栏”催化剂。这一结构的设计精妙之处在于，在分子筛晶体几百纳米的反应区域中，科研团队仍能进行精细的操作。
具体而言，这一结构如同一个鸡蛋。金属催化剂如同蛋黄，沸石分子筛如蛋清，“分子围栏”则如同蛋壳。团队利用沸石分子筛将金属纳米颗粒催化中心紧紧包，确保其稳固不再移动。这种沸石分子筛在炼油催化剂中具有重要作用，它像筛子一样允许需要反应的分子通过而拦截其他不需要的物质。
肖丰收团队在过去十多年里一直致力于将“蛋黄”更高效、环保地镶嵌到“蛋清”中。他们通过特殊工艺将催化活性纳米颗粒嵌入沸石分子筛中，使催化剂更加稳定并发挥最大效率。除了高效外，这一催化剂在制备过程中更加环保。由于采用无溶剂合成方式，不会产生污染。
实验室里摆放着众多的直筒型反应釜，体现了团队以数量取胜的策略。肖丰收介绍道：“我们实验室拥有3000个反应釜，我们运用群狼战术，在单位时间内尽可能多地进行实验，快速找到有效路径。”
随着页岩气、海底可燃冰等资源的进一步开发，甲烷在能源体系中尤其是碳资源中的地位将愈发重要。对于未来的应用前景，肖丰收表示，虽然从基础原理到规模化应用还有很长的路要走，但随着甲烷转甲醇中附加值的提升，未来将有无限可能。
