中科院實現二維晶格限域Cu原子催化甲烷室溫轉化

近日，中科院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室研究員鄧德會、副研究員于良團隊在甲烷低溫轉化制含氧化合物研究中取得新進展。團隊發現二維Ru納米片邊緣晶格限域的Cu位點，可以在室溫下直接催化甲烷與雙氧水高效轉化為甲醇和甲基過氧化氫等高附加值化合物。該工作為設計和開發溫和條件下的甲烷高效轉化催化劑提供了新思路。相關成果發表在Chem Catalysis上，并被選為封面文章。

甲烷是一種重要的化石能源，廣泛存在于天然氣、頁巖氣和可燃冰等礦產資源中。它不僅是一種廉價的燃料，而且可以用于生產高附加值化學品。溫和條件下甲烷直接轉化制高值化學品是能源催化領域的研究熱點之一。然而，甲烷分子的四面體高對稱性以及低極化率使得甲烷分子非常穩定，其在溫和條件下的催化活化和轉化非常困難。二維金屬納米晶具有高的比表面積和豐富的配位不飽和位點，可作為一種優異的基底材料來構建限域配位不飽和活性位點用于活化甲烷。然而，二維金屬納米晶的可控制備及其限域位點配位環境的精確調控具有挑戰性。

本工作中，鄧德會團隊在前期研究C-H鍵活化以及低溫活化甲烷的基礎上，利用貴金屬誘導還原的生長機制，制備了晶格限域Cu原子的二維Ru納米片，其在室溫條件下可催化甲烷和雙氧水高選擇性轉化為C1含氧化合物，生成速率最高可達1533 mmol g-1Cu(surf.) h-1，選擇性超過99%。團隊結合譜學表征和密度泛函理論計算，發現限域在Ru納米片邊緣的Cu原子能夠活化雙氧水產生活性氧物種，從而以較低的活化能解離甲烷分子的C-H鍵，通過自由基機理將甲烷在室溫下催化轉化為甲基過氧化氫和甲醇等含氧化合物。

該工作拓展了晶格限域配位不飽和活性中心催化甲烷低溫轉化的范疇，為設計新型高效甲烷低溫轉化催化劑提供了借鑒。