科学家们开发出一种使用单个钯原子的催化剂，可在低温条件下从天然气发动机废气中去除 90% 未燃烧的甲烷，从而有望显著降低甲烷排放量。目前正在开展进一步研究，以推动这项前景广阔的技术实现商业化。

在最近的一项研究中，使用单个或仅有几个钯原子的催化剂可在低温条件下去除天然气发动机废气中 90% 未燃烧的甲烷。虽然还需要进行更多的研究，但单个原子催化技术的进步有可能降低甲烷的尾气排放，甲烷是最有害的温室气体之一，其捕获热量的速度约为二氧化碳的 25 倍。

华盛顿州立大学和 SLAC 国家加速器实验室的研究工作在《自然-催化》杂志上报告说，单原子催化剂能够在较低温度（低于 350 摄氏度（662 华氏度））下清除发动机尾气中的甲烷，同时在较高温度下保持反应稳定性。

西悉尼大学吉恩和琳达-沃兰德化学工程与生物工程学院摄政教授、论文通讯作者王勇说："这几乎是一个自我调节的过程，它奇迹般地克服了人们一直面临的挑战--低温不活跃和高温不稳定。"

全球约有 3000 万至 4000 万辆汽车使用天然气发动机，在欧洲和亚洲很受欢迎。天然气工业也使用天然气发动机运行压缩机，将天然气泵送到居民家中。一般认为，天然气发动机比汽油或柴油发动机更清洁，产生的碳和微粒污染更少。

然而，当这些天然气发动机启动时，它们会排放出未燃烧的、捕获热量的甲烷，因为它们的催化转换器在低温下不能很好地工作。去除甲烷的催化剂要么在较低的排气温度下效率低下，要么在较高的温度下严重降解。

"现在人们都在大力推广使用天然气，但当将天然气用于内燃机时，尾气中总会有未燃烧的天然气，你必须想办法将其去除。如果不这样做，就会导致更严重的全球变暖，"合著者、SLAC 国家加速器实验室的科学家弗兰克-阿比尔德-佩德森（Frank Abild-Pedersen）说。"如果能从废气中去除90%的甲烷，并保持反应稳定，那就太了不起了"。

王勇补充说，活性金属单独分散在载体上的单原子催化剂还能利用昂贵的贵金属的每个原子。如果能让它们更具活性，那就更是锦上添花了。

在他们的工作中，研究人员能够证明，他们用氧化铈载体上的单个钯原子制成的催化剂能够有效去除发动机废气中的甲烷，即使发动机刚刚启动时也是如此。

他们发现，发动机尾气中始终存在的微量一氧化碳在室温下动态形成反应活性位点方面发挥了关键作用。一氧化碳帮助钯的单原子迁移，形成双原子或三原子簇，从而在低温下有效地分解甲烷分子。

然后，随着排气温度的升高，亚纳米级的簇重新分散为单个原子，从而使催化剂具有热稳定性。这一可逆过程使催化剂能够有效工作，并在发动机运行的整个过程中（包括冷启动时）利用每一个钯原子。

克里斯托弗-塔索内（Christopher Tassone）是SLAC国家加速器实验室的一名科学家，也是这篇论文的共同作者，他对研究小组保持钯催化剂稳定和高活性的能力大加赞赏，并将其归功于研究小组的各种专业知识。他说："我们确实能够找到一种方法来保持支撑钯催化剂的稳定和高活性，而且由于整个团队拥有不同的专业知识，我们能够理解为什么会出现这种情况。"

虽然研究人员试图进一步改进催化剂技术，并更好地理解钯与铂等其他贵金属表现不同的原因，但他们承认，这项研究距离应用于汽车还有一定距离。不过，他们正在与行业合作伙伴和太平洋西北国家实验室合作，以推动这项技术更接近商业化。