近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)研究團(tuán)隊設(shè)計構(gòu)筑了黑磷負(fù)載的金單原子催化劑(Au1/BP)，可實現(xiàn)甲烷在溫和條件下高選擇性氧化制甲醇。相關(guān)研究成果發(fā)表于《自然·通訊》雜志。

以氧氣作為氧化劑來實現(xiàn)甲烷的選擇性氧化生成甲醇，不僅綠色環(huán)保，還具有原子經(jīng)濟(jì)性特征。然而，甲烷分子具有高度的四面體對稱性，其碳?xì)滏I難以被活化。同時，甲烷的部分氧化產(chǎn)物也存在容易過度氧化為CO2等問題。

研究發(fā)現(xiàn)，在光照條件下，以氧氣為氧化劑，Au1/BP催化劑能夠在水溶液中催化甲烷部分氧化生成甲醇，甲醇選擇性大于99%。機理研究表明，光照條件下生成甲醇中的氧既可以來自于水，也可以來自于氧氣。

該研究團(tuán)隊通過理論計算對反應(yīng)的選擇性進(jìn)行探究。結(jié)果表明，在Au1/BP催化劑表面，甲烷脫第一個氫生成CH3·很容易，是放熱反應(yīng)，然而CH3·繼續(xù)脫氫則是吸熱反應(yīng)。因此，Au1/BP催化劑能夠穩(wěn)定CH3·，抑制過度脫氫。并且甲醇進(jìn)一步被氧化的能壘遠(yuǎn)高于甲烷活化和甲醇脫附的表觀活化能，甲烷氧化產(chǎn)生的甲醇更容易從催化劑表面脫附進(jìn)入到溶液中而不是被過度氧化。

該研究揭示了甲烷選擇性氧化過程中氧氣和甲烷的活化機制，并為水在反應(yīng)過程中的作用提供新認(rèn)識，為甲烷高選擇性轉(zhuǎn)化催化劑的設(shè)計提供新思路。