顆粒在線訊：近日，中國(guó)科學(xué)院精密測(cè)量科學(xué)與技術(shù)創(chuàng)新研究院徐君和鄧風(fēng)研究團(tuán)隊(duì)，聯(lián)合英國(guó)卡迪夫大學(xué)教授Graham Hutchings等，在甲烷選擇性氧化研究方面取得重要進(jìn)展。該研究開(kāi)發(fā)出金（Au）負(fù)載的ZSM-5分子篩（Au/ZSM-5）催化劑，實(shí)現(xiàn)了在氧氣條件下催化甲烷高選擇性氧化為甲醇和乙酸的催化反應(yīng)過(guò)程，并剖析了其催化機(jī)制。  

　　作為最清潔、最豐富的天然碳資源之一，甲烷分布于天然氣、頁(yè)巖氣、煤層氣、甲烷水合物等中，可作為生產(chǎn)高價(jià)值化學(xué)品的重要C1資源。甲烷儲(chǔ)藏的地區(qū)偏遠(yuǎn)，因而在開(kāi)采現(xiàn)場(chǎng)將甲烷轉(zhuǎn)化為可運(yùn)輸?shù)暮趸衔铮状?、甲酸、乙酸等）?duì)甲烷的高效利用具有重要意義。甲烷的C-H鍵能較大，通常需要苛刻的條件（高溫和高壓）才能將其轉(zhuǎn)化，如工業(yè)上高能耗的間接轉(zhuǎn)化過(guò)程先將甲烷轉(zhuǎn)化成合成氣（CO + H2）再轉(zhuǎn)化為高附加值的產(chǎn)物。人們追求將甲烷直接部分氧化為高附加值化學(xué)品，由于所生成的含氧化合物的性質(zhì)比甲烷更活潑，通常更易過(guò)度氧化為CO2等副產(chǎn)品。甲烷選擇性氧化是催化中的“圣杯”反應(yīng)之一。尋求能夠在溫和條件下具有工業(yè)前景的甲烷選擇性氧化路線引起學(xué)術(shù)界和工業(yè)界關(guān)注。 

　　科研人員開(kāi)發(fā)出金（Au）負(fù)載的ZSM-5沸石分子篩（Au/ZSM-5），納米顆粒Au作為氧化中心。該催化劑可在無(wú)共還原劑（H2或CO）的條件下，在120-240°C的溫度范圍內(nèi)，利用O2實(shí)現(xiàn)甲烷選擇性氧化生成甲醇和乙酸的反應(yīng)。研究利用核磁共振（NMR）方法對(duì)反應(yīng)產(chǎn)物含量進(jìn)行定量分析發(fā)現(xiàn)，在較短反應(yīng)時(shí)間內(nèi)可獲得7.3 mol/molAu/h的最大含氧化合物產(chǎn)量，與常規(guī)Cu負(fù)載分子篩催化劑只能催化生成C1產(chǎn)物不同，該體系中可生成乙酸等C2氧化產(chǎn)物，這表明Au-ZSM-5催化劑上具有不同的催化反應(yīng)機(jī)制。研究運(yùn)用二維1H-13C相關(guān)譜NMR實(shí)驗(yàn)結(jié)合12C和13C同位素示蹤技術(shù)探究甲烷轉(zhuǎn)化機(jī)制，發(fā)現(xiàn)催化劑表面的Au納米粒子能夠促進(jìn)氧氣活化進(jìn)而生成活性氧物種與甲烷發(fā)生反應(yīng)，該反應(yīng)涉及在固體催化表面上活性物種（甲基、過(guò)氧甲基、乙酰基等）的生成與轉(zhuǎn)化過(guò)程，而不僅僅是甲烷在溶液相的氧化反應(yīng)。該催化劑可只使用O2作為氧化劑來(lái)生成C2含氧化合物，而在其他貴金屬（如Rh和Ir）改性沸石催化劑上通常需要CO作為共反應(yīng)物（還原劑）。該研究為多相催化劑實(shí)現(xiàn)氧氣條件下甲烷選擇性氧化反應(yīng)提供了堅(jiān)實(shí)的實(shí)驗(yàn)證據(jù)，并為甲烷選擇性轉(zhuǎn)化這一催化領(lǐng)域的“圣杯”反應(yīng)提供了新的研究思路。 

　　相關(guān)研究成果以Au/ZSM-5 catalyses the selective oxidation of CH4 to CH3OH and CH3COOH using O2（《Au負(fù)載ZSM-5催化劑氧氣條件下催化甲烷選擇性氧化為甲醇和乙酸》）為題，在線發(fā)表在《自然-催化》（Nature Catalysis）上。研究工作得到國(guó)家自然科學(xué)基金、中科院、湖北省科技廳的支持。  

Au/ZSM-5催化甲烷選擇性氧化生成甲醇與乙酸示意圖