NSR | 海水淡化之后，浓盐水还有下一站：太阳能驱动甲烷高值转化

中国南海，我国自主开发的全球首座十万吨级海上油气平台“深海一号”能源站（图1）开启了超深水能源开发新阶段。然而，如何利用海上平台周边丰富的海洋资源，实现淡水、能源与化学品的协同供给，降低远海运行对外部补给的依赖，仍是未来海洋资源开发面临的重要挑战。

甲烷作为可燃冰的主要组分，因其所有化学键均为非极性C–H而极其稳定，在温和条件下实现甲烷高效活化与选择性转化，被视为催化科学领域的“圣杯”。同时，远海平台运行过程中也需要持续的淡水供应，而海水淡化过程中产生的浓盐水通常需要进一步处理。能否让一种过程的副产物成为另一种过程的反应资源，实现海洋资源的协同利用？

图1：“深海一号”能源站（新华社发，中国海油供图）

针对这一挑战，中国科学技术大学熊宇杰/高超团队联合意大利的里雅斯特大学Federico Rosei教授，构建了一套太阳能驱动的海上光热–光催化耦合连续流系统，实现甲烷高选择性转化为氯甲烷并同步获取淡水，为海洋资源协同转化和远洋天然气资源原位高值利用提供了新的技术路线。

相关论文以“Offshore solar-driven methane valorization to chloromethane with seawater”为题，发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR）。中国科学技术大学博士生李子龙与合肥工业大学马自力副教授为论文第一作者，熊宇杰教授、高超教授与Federico Rosei教授为论文通讯作者。

图2：甲烷氯化路径对比及面向海上平台的系统设计

路线革新：传统甲烷氯化依赖高温热催化和高危氯源，存在高能耗、环境风险及资源依赖等问题（图2）。为此，该研究构建太阳能驱动的海洋资源协同转化体系，利用光热海水蒸发实现淡水获取与Cl⁻原位富集，并将所得浓盐水直接作为氯源驱动光催化甲烷氯化。通过构筑漂浮式气–液–固三相反应界面，实现海水淡化、氯资源利用与甲烷高值转化的级联耦合。

界面调控：甲烷光催化氯化的关键在于水相自由基环境中C–H活化与C–Cl构建路径的精准调控。研究团队构筑了Pt(0.13)/TiO₂催化剂，利用Pt物种促进电荷分离并调节TiO₂表面酸碱位点，增强对甲烷的吸附和活化能力。引入Lewis酸Al³⁺则动态缓解OH⁻积累导致的界面碱化，维持有利于自由基定向转化的弱酸性环境。通过调控·OH驱动的C–H键活化与·CH₃/·Cl选择性偶联，实现常温常压下98.1%的氯甲烷选择性和2.9 mmol g^-1 h^-1的产率。结合EPR、NAP-XPS及DRIFTS等原位表征，进一步揭示水相甲烷选择性氯化的界面自由基机制。

连续验证：进一步构建光热–光催化连续流系统（图3），验证了该策略的长期运行能力。在标准太阳光照下，海水蒸发速率达到1.25 kg m^-2 h^-1。以约50%饱和度浓盐水为介质，连续运行54小时后氯甲烷产率稳定保持在59.7 mmol m^-2 h^-1。引入微量Al³⁺后产率进一步提升至79.5 mmol m^-2 h^-1，并在15天长期运行中保持稳定。结合纳滤模块，实现Al³⁺助剂的高效循环利用（截留率>98%）。

图3：太阳能驱动连续流系统构建及性能

该工作以海水淡化副产浓盐水为资源纽带，实现淡水生产与甲烷高值转化的能量–物质协同耦合。通过界面微环境调控，实现了温和条件下甲烷向氯甲烷的定向高值转化，为远海天然气利用和海洋资源循环开发提供了新范式。

文章信息

https://doi.org/10.1093/nsr/nwag440