能源小分子(如CH4、CO2等)的活化和轉(zhuǎn)化是化石能源高效利用的核心。隨著石油資源的日益匱乏，發(fā)展天然氣（主要成分為甲烷）化工，成為未來最有希望滿足人們對液體燃料和基礎(chǔ)化學(xué)品需求的途徑，如何有效活化CH4讓其轉(zhuǎn)化生成高附加值產(chǎn)品則是當(dāng)前化學(xué)領(lǐng)域面臨的主要挑戰(zhàn)之一。在甲烷的眾多轉(zhuǎn)化產(chǎn)物中，甲醇被認(rèn)為是較為理想的產(chǎn)物：甲醇是基本化工原料，可以很容易地轉(zhuǎn)變成烯烴、芳烴等重要的化工原料以及燃料，且甲醇在常溫常壓下是液體，有利于長期儲(chǔ)存和運(yùn)輸。因此，把甲烷催化氧化為既可作為液體燃料又可用作化工基本原料的甲醇，是緩解能源緊張的有效途徑。傳統(tǒng)的甲烷兩步法制甲醇的工藝路線(先將甲烷轉(zhuǎn)化成合成氣，再通過合成氣制甲醇)存在反應(yīng)條件苛刻、耗能高等多種問題，如何實(shí)現(xiàn)甲烷在溫和條件下直接氧化制甲醇，是近百年來工業(yè)界和學(xué)術(shù)界共同的“Dream Reaction”。

最近，北京大學(xué)化學(xué)與分子工程學(xué)院馬丁教授課題組與倫敦大學(xué)學(xué)院的Junwang Tang教授課題組合作，突破傳統(tǒng)研究思路，在外場(模擬太陽光)輔助下，以常規(guī)浸漬法獲得的二氧化鈦負(fù)載鐵為催化劑、過氧化氫為氧化劑，在常溫常壓下實(shí)現(xiàn)了甲烷一步活化高選擇性制甲醇。3小時(shí)內(nèi)，甲烷的轉(zhuǎn)化率可達(dá)15%，總醇選擇性可達(dá)97%，其中甲醇的選擇性高達(dá)90%，且該催化劑具有優(yōu)異的循環(huán)穩(wěn)定性。球差校正電鏡和吸收譜學(xué)研究表明，該催化劑的活性中心為高度分散的三價(jià)鐵物種。該研究工作構(gòu)建了新的甲烷一步高效制甲醇體系，為溫和條件下實(shí)現(xiàn)甲烷的高效活化提供了新思路。該研究成果以“Highly selective oxidation of methane to methanol at ambient conditions by titanium dioxide-supported iron species”為題發(fā)表于Nature Catalysis(Nat. Catal. 2018, 1, 889-896)。

該研究得到國家科技部重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國家自然科學(xué)基金等項(xiàng)目資助。馬丁和Junwang Tang為該工作的共同通訊作者，第一作者為倫敦大學(xué)學(xué)院謝吉嘉，第二作者是北京大學(xué)金仁喜博士。這項(xiàng)工作的合作者還包括北京工業(yè)大學(xué)李昂博士、蘭州化物所畢迎普研究員等。

(關(guān)鍵字：甲醇 甲烷制甲醇)