科研人員實現甲烷低溫高效直接催化轉化制甲酸

近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室二維材料與能源小分子轉化創新特區研究組研究員鄧德會和副研究員於良團隊在甲烷低溫轉化制含氧化合物研究中取得進展，發現ZSM-5孔道晶格限域的配位不飽和Fe位點可在溫和條件下直接催化甲烷高效定向轉化制甲酸。

甲烷是一種重要的化石能源，存在於天然氣、頁岩氣、可燃冰等礦產資源中。溫和條件下，甲烷直接轉化制高附加值化學品或燃料是能源催化領域的熱點課題之一，但甲烷分子的四面體高對稱性及低極化率使溫和條件下的甲烷催化活化具有挑戰性。此外，甲烷轉化產生的高附加值產物（如甲醇、甲酸等）通常比甲烷更活潑，容易被過度氧化成溫室氣體二氧化碳。因此，探索甲烷低溫高效活化和定向轉化制高附加值化學品或燃料具有重要意義。

研究人員在前期研究C-H鍵活化及石墨烯限域單鐵中心室溫活化甲烷的基礎上（Sci。 Adv。，2015；Nat。 Commun。，2018；Chem，2018），進一步發現ZSM-5孔道晶格限域的原子級分散鐵中心可在溫和條件下催化甲烷高選擇性直接轉化為甲酸；透過改變ZSM-5分子篩的矽鋁比和催化劑Fe載量來調控和最佳化Fe活性中心的微環境，在80°C條件下，甲烷轉化到C1含氧化合物的TOF值高達84200 h-1，其中，甲酸選擇性在90%以上，產率達到383。2 mmol gcat。 -1 h-1；藉助球差電鏡、準原位液體核磁共振波譜、原位飛行時間質譜以及電子順磁共振波譜等表徵手段並結合DFT理論計算，研究人員發現，ZSM-5孔道晶格限域的配位不飽和單中心鐵和雙中心鐵位點均可活化雙氧水分解產生活性Fe-O物種，該物種能夠有效活化甲烷並解離碳氫鍵，使甲烷透過自由基機理經由甲醇、甲醛而高選擇性地被氧化為甲酸，並有效抑制二氧化碳的產生。該研究促進了學界對晶格限域活性中心催化甲烷低溫轉化的理解和認識，為設計和開發甲烷高效轉化催化劑提供了新思路。

相關研究成果發表在《奈米能源》（Nano Energy）上。研究工作得到國家重點研發計劃專案、國家自然科學基金專案、中科院戰略性先導科技專項（B類）“功能奈米系統的精準構築原理與測量”、中科院潔淨能源創新研究院合作基金等的支援。

大連化物所實現甲烷低溫高效直接催化轉化制甲酸