“速凍”天然氣：這種新型冰塊可快速儲(chǔ)存甲烷，容量提升30倍

環(huán)球零碳

碳中和領(lǐng)域的《新青年》

來源：NUS

撰文 | Bell

編輯 | 小雨

→這是《環(huán)球零碳》的1713篇原創(chuàng)

在能源需求持續(xù)增長(zhǎng)與氣候變化挑戰(zhàn)并存的今天，尋找安全、高效且清潔的能源儲(chǔ)存方式已成為全球科研的重要方向。

天然氣（主要成分為甲烷）以及來自有機(jī)廢棄物發(fā)酵的可再生生物甲烷，在其中扮演著關(guān)鍵角色。

天然氣是一種相對(duì)清潔的化石燃料，而生物甲烷更是一種清潔可再生的天然氣替代品，可用于工業(yè)、交通和建筑等領(lǐng)域。

然而，如何安全、經(jīng)濟(jì)地儲(chǔ)存和運(yùn)輸這種氣體，一直是困擾產(chǎn)業(yè)界的難題。

無論是將其壓縮成高壓的壓縮天然氣，還是冷卻至零下162攝氏度液化為液化天然氣，都伴隨著高昂的能耗、巨大的基礎(chǔ)設(shè)施投入和潛在的安全風(fēng)險(xiǎn)。

近年來，一種名為“固化天然氣（SNG）”的技術(shù)吸引了研究者的目光。

固化天然氣具有顯著的天然氣儲(chǔ)存能力，在適當(dāng)?shù)臏囟群蛪毫ο拢淄榉肿涌梢员弧瓣P(guān)”在水分子形成的冰狀晶體結(jié)構(gòu)中，形成一種外觀類似冰的固體物質(zhì)，即甲烷水合物。

然而，在具體實(shí)踐中，這種氣體水合物的形成過程往往極其緩慢，往往需要數(shù)小時(shí)甚至數(shù)天，這嚴(yán)重阻礙了其商業(yè)化應(yīng)用。

如今，來自新加坡國(guó)立大學(xué)的一支研究團(tuán)隊(duì)成功突破了這一挑戰(zhàn)。他們開創(chuàng)性地提出了用于固化天然氣應(yīng)用的氨基酸改性冰（AM-Ice），成功地將水合物的形成時(shí)間從“小時(shí)”級(jí)縮短至“分鐘”級(jí)。

這項(xiàng)發(fā)表于《自然-通訊》的研究，如同在能源儲(chǔ)存領(lǐng)域投入的一顆石子，激起了廣泛的漣漪。

在接近冰點(diǎn)的溫度（-0.5℃）和中等壓力（6兆帕）下，氨基酸冰的性能優(yōu)于一些用于儲(chǔ)存天然氣的先進(jìn)多孔材料——不僅體現(xiàn)在甲烷容量上，還體現(xiàn)在填充速度。

測(cè)試數(shù)據(jù)表明，該材料在短短2.42分鐘內(nèi)就能完成90%的甲烷吸收，儲(chǔ)存容量達(dá)到146.56 v/v（氣體體積與冰體積之比），形成速率高達(dá)每秒3.22 v/v。

與未修飾的普通冰相比，該材料儲(chǔ)存容量提升了30倍，反應(yīng)動(dòng)力學(xué)提高了29倍。這意味著，以往需要數(shù)小時(shí)才能完成的過程，現(xiàn)在泡一杯茶的功夫就已接近尾聲。

“天然氣和生物甲烷是當(dāng)今能源結(jié)構(gòu)的重要組成部分，但它們的儲(chǔ)存和運(yùn)輸長(zhǎng)期以來依賴于成本高昂或碳排放密集型的方法，” 領(lǐng)導(dǎo)這一研究的Praveen Linga教授表示。

“我們展示的是一種簡(jiǎn)單、可生物降解的途徑，既能快速發(fā)揮作用，又能重復(fù)使用。它使天然氣儲(chǔ)存更安全、更環(huán)保、適應(yīng)性更強(qiáng)。”

圖說：a）AM-Ice的制備涉及三個(gè)關(guān)鍵步驟；b) 氨基酸改性冰與水基冰的儲(chǔ)氣性能對(duì)比；c) 天然氣水合物過程中的形態(tài)演變

https://www.nature.com/articles/s41467-025-63699-2

在實(shí)驗(yàn)過程中，研究人員將微量的氨基酸與水混合，然后將溶液冷凍成冰，再將其研磨成細(xì)小的粉末。當(dāng)粉末暴露在甲烷氣體中時(shí)，反應(yīng)即可開始。

那么，微量的氨基酸為何能產(chǎn)生如此巨大的“催化”效應(yīng)？奧秘隱藏在冰的微觀世界里。

研究揭示，當(dāng)疏水性的氨基酸（如色氨酸、甲硫氨酸和亮氨酸）存在于冰中時(shí)，它們會(huì)改變冰表面的性質(zhì)。

在甲烷注入和反應(yīng)放熱的共同作用下，冰粉表面會(huì)形成一層極薄的液態(tài)水膜。這層液膜成為了水合物晶體快速成核和生長(zhǎng)的“沃土”。

氨基酸分子在此引導(dǎo)水分子組裝成多孔、海綿狀的籠形結(jié)構(gòu)，為甲烷分子的大規(guī)模快速進(jìn)入提供了暢通無阻的通道。

與之形成鮮明對(duì)比的是，純水基普通冰在與甲烷接觸時(shí)，表面只會(huì)形成一層致密且堅(jiān)硬的水合物薄膜。

這層薄膜如同一個(gè)“盔甲”，頑固地阻擋了內(nèi)部冰與外部甲烷的進(jìn)一步接觸，使得反應(yīng)進(jìn)程十分艱難。

這正是傳統(tǒng)方法效率低下的根本原因。而氨基酸的加入，巧妙地穿透了這層“盔甲”。

圖說：由Praveen Linga教授（右）領(lǐng)導(dǎo)的新加坡國(guó)立大學(xué)研究小組展示新型冰

來源：NUS

為了透視這一快速過程的分子細(xì)節(jié)，研究人員采用了原位拉曼光譜技術(shù)。

分析結(jié)果令人振奮：甲烷分子在極短時(shí)間內(nèi)就占據(jù)了水合物晶體中兩種大小不同的籠子，且占有率均超過90%。這不僅證實(shí)了反應(yīng)速度的飛躍，也說明了儲(chǔ)存結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定與高效。

進(jìn)一步的測(cè)試還發(fā)現(xiàn)，疏水性是氨基酸發(fā)揮促進(jìn)作用的關(guān)鍵。

像色氨酸這類疏水氨基酸效果顯著，而親水性的組氨酸和精氨酸則效果不彰。這條清晰的“設(shè)計(jì)規(guī)則”為未來定制性能更優(yōu)的促進(jìn)劑指明了方向。

除了卓越的性能，這項(xiàng)技術(shù)的另一大魅力在于其綠色可持續(xù)的特性。

目前，一些研究嘗試使用表面活性劑（如十二烷基硫酸鈉）來加速水合物形成，但這會(huì)帶來嚴(yán)重的泡沫問題，在釋放氣體時(shí)造成設(shè)備堵塞和分離困難，且其生物降解性差，存在環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)。

氨基酸是自然界廣泛存在的物質(zhì)，易生物降解，且在整個(gè)氣體回收過程中完全不產(chǎn)生泡沫，極大地簡(jiǎn)化了操作流程，降低了對(duì)環(huán)境的影響。

更值得一提的是，該系統(tǒng)展現(xiàn)出類似電池的“充放”循環(huán)特性。

當(dāng)需要釋放儲(chǔ)存的甲烷時(shí)，只需對(duì)水合物進(jìn)行溫和加熱，即可在半小時(shí)到一小時(shí)內(nèi)近乎百分之百地回收氣體。

使用過的水溶液可以被重新冷凍，再次生成高效的“氨基酸修飾冰”，進(jìn)入下一個(gè)儲(chǔ)存周期。這種可循環(huán)再生的特性，為其在實(shí)際應(yīng)用中奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

圖說：甲烷氣體充放過程示意圖

https://www.nature.com/articles/s41467-025-63699-2

這項(xiàng)突破為解決分布式、小規(guī)模的生物甲烷儲(chǔ)存提供了極具吸引力的方案。

與大規(guī)模天然氣田相比，源自農(nóng)場(chǎng)、污水處理廠的生物甲烷通常產(chǎn)量分散，難以承擔(dān)建設(shè)液化天然氣或高壓儲(chǔ)存設(shè)施的巨大成本。而這種氨基酸冰技術(shù)，設(shè)備要求相對(duì)簡(jiǎn)單，運(yùn)營(yíng)成本低廉，正好可以填補(bǔ)這一空白，助力可再生能源的普及。

展望未來，研究團(tuán)隊(duì)的視野并未止步于甲烷。

理論計(jì)算表明，這種水合物結(jié)構(gòu)同樣適用于捕獲和儲(chǔ)存二氧化碳，甚至對(duì)氫氣也有一定的儲(chǔ)存潛力。這為應(yīng)對(duì)氣候變化和構(gòu)建氫能經(jīng)濟(jì)提供了新的技術(shù)想象。

當(dāng)然，從實(shí)驗(yàn)室的成功走向大規(guī)模的工業(yè)應(yīng)用，仍有挑戰(zhàn)需要克服，例如反應(yīng)器的工程放大、對(duì)真實(shí)天然氣混合物（含乙烷、丙烷等）的適應(yīng)性，以及長(zhǎng)期循環(huán)的穩(wěn)定性等。

目前，該團(tuán)隊(duì)正在努力擴(kuò)大該工藝規(guī)模，用天然氣混合物進(jìn)行測(cè)試，并改進(jìn)該技術(shù)以儲(chǔ)存其他氣體，包括二氧化碳和氫氣。

Reference：

[1]https://www.nature.com/articles/s41467-025-63699-2

[2]https://interestingengineering.com/energy/new-ice-locks-methane-in-two-minutes

[3]https://news.nus.edu.sg/ice-mixed-with-amino-acids-stores-methane-in-minutes/

[4]https://bioengineer.org/amino-acid-infused-ice-captures-methane-in-minutes/

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