南開大學和中國石化上海石油化工研究院的分子篩催化甲烷制甲醇研究獲進展

近日，南開大學和中國石化上海石油化工研究院的研究團隊合作采用銅基路易斯酸分子篩催化材料，在甲烷選擇性催化氧化制甲醇研究中獲進展。相關成果發表于《化學》期刊。

甲烷是一種豐富的化石資源，甲烷的選擇性活化和定向轉化是催化和化學領域的一個非常具有挑戰性的課題。受甲烷單加氧酶催化反應的啟示，開發了過渡金屬離子交換分子篩用于甲烷間歇轉化制甲醇反應，然而該反應效率極低。

該研究團隊采用銅基路易斯酸分子篩催化材料(Cu-CHA)，開發了甲烷在水和氧氣作用下連續制甲醇的催化氧化過程。在573 K時，Cu-CHA催化材料的甲醇時空產率為543 μmol/(molCu·h)，甲醇選擇性為91%。同位素標記試驗結果表明，水是甲醇產物羥基的表觀氧源和氫源。譜學表征結果證實，甲烷選擇氧化過程中Cu2+-Cu+-Cu2+的快速氧化還原循環與Cu-CHA的高催化活性密切相關。密度泛函理論(DFT)計算結果表明，Cu-CHA中的CuOH單體和二聚體為催化活性中心，氧氣直接參與反應過程，反應中以CuOOH作為關鍵中間體實現甲烷選擇氧化制甲醇，同時各種不同結構的Cu位點在本反應條件下可能發生相互轉化。