如何将天然气转换为燃料，我们有了更好的选择

图为铂铜单原子合金（其中铜为橙色，碳为黑色，氢为透明色，铂金为蓝色）。铜只有在高温下才能破坏甲烷衍生物中的碳氢键，但是合金表面的单个铂原子却可以在相对较低的温度下断开氢原子而不产生焦炭。
图片来源：伦敦大学的MichailStamatakis

石油和天然气井技术在过去十年里的进步，使得页岩天然气的生产成为了可能。而随着页岩气供应的突然增加，科学家们又重新燃起了对碳—氢键（C-H）激活技术的兴趣，该过程可以打破甲烷等气体中的C-H键，从而形成可用作燃料的碳氢链化合物。

但是，想要从页岩气中获取这些燃料，科学家们还面临着许多困难，目前最大的困难是C-H键的激活过程会释放过多氢原子，留下一种叫做焦炭的无用碳固体。

塔夫茨大学Charles Sykes领导的研究小组经实验后发现，一种由活性金属铂和惰性金属铜制成的合金可以用作C-H键激活的催化剂，同时还可以有效防止焦炭残留。在一系列的实验过程中，Sykes的团队对纯铜、纯铂和铂—铜单原子合金（SAA）都进行了一定程度的研究，以确定每种材料与甲烷衍生碳氢化合物之间的相互作用关系，这些碳氢化合物是由天然存在于页岩气中的分子组成的。研究小组发现，铂—铜单原子合金（SAA）对焦化现象有良好的抵抗作用。

在这一发现之后，由伦敦大学MichailStamatakis领导的多尺度计算催化和材料科学小组利用了橡树岭计算机技术中心（OLCF）的高性能计算（HPC）资源，并通过模拟揭开了实验细节。Matthew Darby是当时Stamatakis小组的博士后，现在是英国工程和物理科学研究委员会工作，该项目的计算过程是由他完成的。

Darby发现，铂在低温下可以迅速将氢从甲烷中剥离出来，从而形成碳沉积;而铜则只有在高温下才能打破C-H键。然而，该团队却发现铂—铜合金可以在不形成焦炭的情况下，有效地打破C-H键。这种合金可以像纯铜一样形成两三个分子的甲烷链，而形成温度却比纯铜要低100℃左右。

Darby介绍道：“计算过程非常的昂贵。如果在家用计算机上运行，可能需要计算几个月的时间，而OLCF的高性能计算机拥有上百个CPU，可以将计算时间压缩到一两天。”

OLCF强大的超级计算机属于美国能源部（DOE）科学用户设施办公室，位于美国能源部橡树岭国家实验室，可以解决能源、材料、化学和许多其他科学领域的复杂科学问题。研究小组的模拟结果解释了铂和铜对甲烷的反应，并研发出了一种新的不产生焦炭催化剂。

利用这些新知识，塔夫茨大学的科学家们创造了一个微型真实化学工厂的复制品，以便对这个过程能有更多的了解。这个项目证明了理论可以为科学家们提供基本的理解，并帮助他们进一步改进实验，为更大规模的实验工作奠定基础。

焦炭问题

含有碳氢化合物分子链的普通燃料，如丙烷，通常用于熔炉加热，而丁烷则常用于打火机中。通过使用C-H激活，科学家可以利用最简单的碳氢化合物——甲烷进行反应，从而促进这些分子的相互连接并最终形成有用的燃料。由于页岩含量较为丰富，而长链碳氢化合物的含量却越来越少，科学家们正在积极寻找将甲烷转化为燃料的方法。

铂和镍等过渡金属都是有效的催化剂，但它们同时也会导致大量的碳沉积。碳层会覆盖金属表面，使得剩余的甲烷分子无法与金属材料继续发生反应。

Darby表示：“在化学生产中焦炭是一个严重的问题，一旦有焦炭产生，你必须将金属移出反应炉，清洗表面后再放回去。这不仅会中断化学反应过程，还使你不得不重新将温度升高到一个危险的高度。”

他们可以迅速将氢从甲烷中分离出来，但却由于焦化的原因，使得铂和镍生产长链碳氢化合物的能力被极大的限制。最近，科学家们一直在尝试由铂或镍等活性金属制成的合金，以及铜或银等惰性金属。但效果都不理想，焦化问题仍然存在。

Sykes的团队开发了一种新型的单原子合金来解决焦化问题，这种合金每100个铜原子中只有1个铂原子。铂原子被隔离在金属的表层，以确保它们不会发生过度反应。实验表明，铜中的单个铂原子仍然会对C-H键产生反应，但不会达到形成焦炭的程度。

然后，Darby模拟了纯铂、纯铜和SAA的激活过程，以确定碳原子最倾向于与三个样品的哪一个结合。他重复了碳连着1、2、3、4个氢以及氢原子本身相互连接的过程。最后发现这些分子与铜结合的亲和力比铂更强，因此铜需要更多的能量来打破C-H键。这一结果也解释为什么铜是一种无效催化剂。

Darby说道：“铂分解C-H键的速度是铜的数百万倍，而这种单原子合金的分解速度则介于两者之间，在此之前人们甚至不能在不是金属失去活性的前提下，在低温中将两三个甲烷分子连在一起。而如今我们已经可以做到将三个甲烷分子连在一起。”

这是一项重要发现，因为以前从未有过一种合金能够有效地破坏C-H键，同时还能避免焦炭的产生。

Darby介绍道：“我们研发的单原子合金有力地证明了焦炭问题是存在解决方案的，同时我也希望我们的发现能够激励化学家们积极地探索其它的单原子合金，以便找到更佳的解决方案。”

原子大小的粒子

这些模拟是在OLCF进行的，使用的是维也纳ab initio仿真包（VASP），这是一种原子级的材料建模代码。VASP是同类产品中最受欢迎的仿真包，它完全适用于OLCF等类型的高性能并行计算机。

Darby还介绍道：“我们在原子层面上进行了建模，模拟了100个原子大小的粒子，它们分别代表了催化剂和甲烷分子。然后我们计算了把甲烷转化成别的东西所需要的能量。”

通过将这些计算进行对比，Darby可以对实验结果有一个明确的解释。通过在实验中重现模拟过程，研究小组可以看到原子水平上特定键断裂的次数——这在实验中是不可能计算出来的。

该团队的希望是，能发现一种合金可以将8个甲烷连接在一起，组合成复合辛烷，可以用作汽车燃料。项目结果和Stamatakis小组正在进行的工作将使实验人员能够专注于最重要的合金系统，而不需要测试随机系统。

Darby表示：“模拟结果给了我们指明了一个大致方向，减少了许多实验过程中的尝试和错误。”