近日，东华理工大学张小平教授团队联合江西中医药大学陈焕文教授团队，在国际顶级期刊《Science Advances》上发表突破性研究成果：他们成功在常温常压、无需催化剂的条件下，将甲烷高效转化为甲醇，同时，同步产出清洁能源氢气。这一颠覆传统的技术为甲烷资源的高值化利用开辟了全新路径。
甲烷是天然气、页岩气的主要成分，但其分子中稳定的C-H键极难断裂。长期以来，将甲烷转化为高价值的甲醇等化学品一直是能源化工领域的“硬骨头”。传统工业转化需在800℃以上高温、几十个大气压的苛刻条件下进行，还依赖贵金属催化剂，不仅能耗极高、成本昂贵，更会产生大量的二氧化碳，加剧温室效应。而这项研究彻底打破了这一局限，实验数据显示，新方法的甲醇产率升至2-4个数量级（650 mmol/h），选择性超过99%，几乎不产生副产物。同时，反应还能以2 mmol/h的速率稳定产出氢气。更关键的是，整个过程在常温常压下即可完成，无需任何化学催化剂。
这项技术的关键，在于被称为“水二聚体自由基阳离子（(H2O)2+•）”的高活性物质。研究团队发现，水分子在特殊电场中会形成这种物质，它像一把“分子剪刀”，既能精准剪断甲烷的C-H键，又能避免甲醇进一步被氧化为二氧化碳，实现了对反应的精准控制。
反应机理：“水自由基阳离子像一把分子剪刀，精准剪开甲烷的顽固C-H键。”
为了高效生成这种活性物质，团队设计了一套“便携式微等离子体反应器”，利用特殊设计的钨针阵列（29×29网格排列，尖端精细至60微米），在温和条件下高效激活水分子，使其转化为高活性的水自由基阳离子。当甲烷气体通入反应体系时，可在极短时间内定向转化为甲醇，同时协同产出清洁的氢气。
化学反应环境：（左）针状阵列尖端附近的电场分布情况；（右）时序控制图。
研究人员通过质谱、核磁共振、红外光谱等多种技术验证，确认生成的甲醇具有高纯度（选择性>99%）的特征。同时，实验中也对反应过程中的氢气生成进行了监测，进一步验证了反应路径的可靠性。此外，该技术的能量效率表现突出，甲醇合成能效达510.0 mol/kWh，较传统等离子体催化体系提升了500倍，展现了温和条件下高效转化的独特优势。
这项突破性研究工作，不仅为工业甲烷转化提供了创新的水自由基化学路径，其揭示的(H2O)2+•介导的反应机制更为绿色化学合成开辟了新方向，在环境友好性、经济效益和生态可持续性方面展现出巨大潜力。该发现将推动后续研究进一步探索水自由基阳离子的基础化学特性及其在工业催化中的应用前景。
（注：以上所有数据及结论均来自论文原文，论文标题“Ambient catalyst-free conversion of methane to methanol by water radical cations”（DOI: 10.1126/sciadv.adw0584），张小平教授和苏蕊教授为论文第一作者，陈焕文教授为论文通讯作者。）
