天然氣作為一種廉價而豐富的資源，改變了世界的能源格局。它的主要成分甲烷可以轉化為液體燃料甲醇，甲醇還可用作其他日用化學品的原料。然而，石油鉆探過程中釋放的甲烷在獲取、運輸以及處理方面的效益低下，這意味著大量的甲烷會被燃燒或排放，向大氣排放有害的溫室氣體。

甲烷直接轉化為甲醇將使天然氣的回收更加有效和可持續(xù)。然而，這種轉化非常困難。因為甲烷的強碳氫鍵需要在高溫下才能斷裂，但若溫度過高，該反應將產生不需要的副產物——CO或CO2。因此，研究人員一直在尋找在低溫下對甲醇具有高選擇性的催化劑。

研究人員使用先進光源(ALS)揭示了水如何促進甲烷轉化為甲醇的催化過程。

一般來說，工業(yè)催化劑是由少量分散在金屬氧化物載體上的金屬組成。在倒置催化劑中，氧化物納米顆粒沉積在金屬基板上。

早期布魯克海文國家實驗室的一組研究人員發(fā)現(xiàn)了一種很有效的倒置催化劑CeO2-Cu2O，它能在室溫下有水存在時將甲烷高選擇性地轉化為甲醇。

CeO2的納米顆粒沉積在Cu2O表面

為了證實這些預測并取得水發(fā)揮作用的直接證據(jù)，研究人員在ALS Beamline 9.3.2上使用了環(huán)境壓力X射線光電子能譜（APXPS）。

（a）在450 K下暴露于不同氣體混合物的催化劑表面的C 1s APXPS光譜。將水添加到反應原料中時，會出現(xiàn)表面吸附的甲氧基（* CH3O）。

（b）在不同溫度下暴露于CH4+O2+H2O 的催化劑表面的C 1s APXPS光譜。即使在300 K（室溫）下也會出現(xiàn)* CH3O信號。

將由Cu（111）上的CeO2 -Cu2O催化劑組成的樣品暴露于甲烷、氧氣和水蒸氣的各種組合中。與預測一致，結果顯示，甲醇的直接前驅體甲氧基(CH3O)在有水存在的催化表面形成。表面甲氧基的出現(xiàn)與甲醇生產的高選擇性密切相關。

有水時甲烷選擇性轉化為甲醇的步驟示意圖。

APXPS的數(shù)據(jù)，加上理論和模擬工作，確定了水在甲烷到甲醇的轉化中起著關鍵的三重作用：阻止不需要的反應，激活所需的反應并提取最終產物。

水分子優(yōu)先于活性鈰離子解離，阻止O-O鍵裂解，否則該裂解會使甲氧基脫氫成CO和CO2。離解的水分子形成吸附的羥基，這些羥基直接將甲烷轉化為甲醇。水的吸附將產生的甲醇轉移到氣相中，使其能夠被萃取。