中科院大化所:甲烷室温直接催化转化实现

2018-08-28 中国科学报

  近日,中科院大连化学物理研究所催化基础国家重点实验室邓德会研究员和包信和院士带领的研究团队,在长期深入研究二维催化材料和纳米限域催化的基础上,发现石墨烯限域的单原子铁中心可以在室温条件下(25℃)直接将甲烷催化转化为高附加值的C1含氧化合物。相关研究结果发表于《化学》。

  甲烷是天然气、页岩气、可燃冰的主要成分,甲烷转化成高附加值的燃料或化学品是世界能源经济的迫切需求。然而,甲烷是最稳定的烷烃分子,具有高度的四面体对称性,其电离能高、不具有电子亲和性、没有永久电偶极矩且极化率低,其C-H键的键能高达434 KJ/mol,极难在温和条件下活化。因此,甲烷的选择活化和定向转化一直是世界性的难题,为了克服高的反应能垒,甲烷的转化往往需要在高的反应温度(600~1100℃)下进行,如何降低反应温度,将对其基础研究和工业应用具有重要意义。

  研究团队在前期研究二维催化材料温和条件下活化C-H键的基础上,经过长达6年的努力,设计出一系列石墨烯限域的3d过渡金属中心(锰、铁、钴、镍、铜)催化材料,发现石墨烯限域的单铁中心在室温条件下,以双氧水为氧化剂,可以直接将甲烷催化转化为C1含氧化合物。

  科研人员借助高分辨液体核磁共振波谱和飞行时间质谱原位表征等手段,发现石墨烯限域的单铁中心可以将甲烷直接转化为CH3OH,CH3OOH,HOCH2OOH和HCOOH等C1含氧化合物。进一步结合DFT理论计算发现,甲烷的转化遵从自由基的反应路线,反应过程中原位生成的O-FeN4-O具有高的活性,可以将甲烷通过自由基首先转化为CH3OH和CH3OOH,生成的CH3OH会进一步被转化成HOCH2OOH和HCOOH。

  专家认为,该工作不仅为温和条件下甲烷转化高效催化剂的设计提供了新思路,也极大地鼓舞了甲烷催化转化领域的发展。

  相关论文信息:https://doi.org/10.1016/j.chempr.2018.05.006

  《中国科学报》 (2018-08-28 第1版 要闻)

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