近日，中科院低碳轉化科學與工程重點實驗室孫予罕研究員和曾高峰研究員團隊在非貴金屬雙原子催化劑用於甲烷低溫轉化方面取得新進展。研究成果以“Defective C為題線上發表在《應用催化B：環境》（Applied Catalysis B: Environmental）上。3N4frameworks coordinated diatomic copper catalyst: Towards mild oxidation of methane to C1 oxygenates”
將偏遠地區儲量豐富的甲烷轉化為的可運輸和儲存的液體化學品具有重要的戰畧意義。商業化的甲烷間接轉化工藝（蒸汽重整-費托反應）投資大、能耗高。已開發的甲烷直接轉化路線仍需要高溫、強酸等苛刻的反應條件。為了促進甲烷的有效利用、有必要開發高效催化劑用於甲烷溫轉化。報導較多的催化劑包括負載型單原子、雙/多原子和納米顆粒金屬催化劑。其中金屬活性位點的分佈、載體的組成與結構、活性位點與載體之間的相互作用如何影響其甲烷催化活性等科學問題仍有待深入研究。
得益於前期在小分子催化氧化研究上的積累（ACS Catal2021，21，11607；Fuel 2021，305121624； Cell Rep Phys Sci2021，2，100287；iScience2020，23，101157；iScience 2018，9，487；Nanoscale2017，9，2123），該團隊巧妙利用富含氮缺陷的g-C固定銅雙原子（Cu，並在50低溫下催化甲烷選擇性氧化（圖1）。含有氮空位的載體可以提供三個sp雜化的N原子先錨定一個Cu原子。進一步光照處理，N空位附近的兩個C和一個sp可以錨定第二個Cu原子。獲得的Cu催化劑每克每小時能催化甲烷氧化生成4878μmol含氧C1化合物、轉化頻率（TOF）為83 h，比單原子催化劑高300%，甚至高於報導的貴金屬催化劑。迴圈實驗表明催化劑具有較好的穩定性。實驗和計算均表明，雙原子銅（一價）牢固地嵌在不對稱的[N中，比單原子銅更有利於甲烷的吸附和解離，降低了甲烷氧化的反應能壘。這種簡單的、構建原子數可控的活性中心方法，為設計高效的C-H活化催化劑提供了啟示。3Cu]···[Cu-C2N]-12@C3N4-D2N2oC2@C3N4-D）3N4
圖1（A-B）催化劑示意圖；（C）催化劑的甲烷氧化催化效能；（D）催化劑的迴圈穩定性。
論文的第一作者為中國科學院上海高等研究院楊娜婷博士和趙永慧副研究員，表徵工作得到了中國科學院上海高等研究院上海光源BL14W1和BL11B線站的支持。該研究工作得到了國家自然科學基金委、中科院青促會和上海市科委等項目的資助。
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https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S0926337321008079
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