甲烷（CH4）是一種重要的化石能源，廣泛存在於天然氣、頁巖氣、可燃冰等礦產資源中。溫和條件下實現CH4直接轉化製備高附加值化學品或燃料是能源催化領域的熱點課題之一。
近日，中國科學院大連化學物理研究所研究員鄧德會和副研究員於良團隊在CH4低溫轉化制含氧化合物研究中取得新進展。研究發現，分子篩催化劑ZSM—5孔道晶格限域的配位不飽和鐵（Fe）位點可在溫和條件下直接催化CH4高效定向轉化制甲酸。相關研究成果發表於《納米能源》上。
鄧德會介紹，CH4分子的四面體高對稱性以及低極化率使其溫和條件下的催化活化非常具有挑戰性。同時，CH4轉化產生的高附加值產物，如甲醇、甲酸等，通常比CH4更活潑，很容易被過度氧化成二氧化碳。
在前期研究C—H鍵活化以及石墨烯限域單鐵中心室溫活化CH4的基礎上，該團隊進一步發現，通過改變ZSM—5分子篩的矽鋁比和催化劑Fe載量來調控和優化Fe活性中心的微環境，在80℃條件下，CH4轉化為C1含氧化合物的轉換頻率（TOF）值高達84200 h-1，其中，甲酸的選擇性保持在90%以上，該性能超過了目前所有已報導相同條件下的CH4轉化催化劑。
鄧德會解釋，藉助球差電鏡、原位飛行時間質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CH4並解離C—H鍵，使CH4通過自由基機理經由甲醇、甲醛而高選擇性地被氧化為甲酸，並有效抑制了二氧化碳的產生。
據了解，該研究促進了對晶格限域活性中心催化CH4低溫轉化的理解和認識，為設計和開發CH4高效轉化催化劑提供了新思路。
相關論文信息： https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2020.105718
版權聲明：凡本網註明「來源：中國科學報、科學網、科學新聞雜誌」的所有作品，網站轉載，請在正文上方註明來源和作者，且不得對內容作實質性改動；微信公眾號、頭條號等新媒體平臺，轉載請聯繫授權。郵箱：shouquan@stimes.cn。