化学学院马丁课题组实现常温常压甲烷一步活化高选择性制甲醇

能源小分子(如CH4、CO2等)的活化和转化是化石能源高效利用的核心。随着石油资源的日益匮乏，发展天然气（主要成分为甲烷）化工，成为未来最有希望满足人们对液体燃料和基础化学品需求的途径，如何有效活化CH4让其转化生成高附加值产品则是当前化学领域面临的主要挑战之一。在甲烷的众多转化产物中，甲醇被认为是较为理想的产物：甲醇是基本化工原料，可以很容易地转变成烯烃、芳烃等重要的化工原料以及燃料，且甲醇在常温常压下是液体，有利于长期储存和运输。因此，把甲烷催化氧化为既可作为液体燃料又可用作化工基本原料的甲醇，是缓解能源紧张的有效途径。传统的甲烷两步法制甲醇的工艺路线(先将甲烷转化成合成气，再通过合成气制甲醇)存在反应条件苛刻、耗能高等多种问题，如何实现甲烷在温和条件下直接氧化制甲醇，是近百年来工业界和学术界共同的“Dream Reaction”。

最近，北京大学化学与分子工程学院马丁教授课题组与伦敦大学学院的Junwang Tang教授课题组合作，突破传统研究思路，在外场(模拟太阳光)辅助下，以常规浸渍法获得的二氧化钛负载铁为催化剂、过氧化氢为氧化剂，在常温常压下实现了甲烷一步活化高选择性制甲醇。3小时内，甲烷的转化率可达15%，总醇选择性可达97%，其中甲醇的选择性高达90%，且该催化剂具有优异的循环稳定性。球差校正电镜和吸收谱学研究表明，该催化剂的活性中心为高度分散的三价铁物种。该研究工作构建了新的甲烷一步高效制甲醇体系，为温和条件下实现甲烷的高效活化提供了新思路。该研究成果以“Highly selective oxidation of methane to methanol at ambient conditions by titanium dioxide-supported iron species”为题发表于Nature Catalysis(Nat. Catal. 2018, 1, 889-896)。

不同条件下的甲烷转化率和活性图

最佳催化剂的结构表征

该研究得到国家科技部重点研发计划、国家自然科学基金等项目资助。马丁和Junwang Tang为该工作的共同通讯作者，第一作者为伦敦大学学院谢吉嘉，第二作者是北京大学金仁喜博士。这项工作的合作者还包括北京工业大学李昂博士、兰州化物所毕迎普研究员等。