近日，大連化物所催化基礎(chǔ)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室鄧德會(huì)研究員和包信和院士團(tuán)隊(duì)在Chem上發(fā)表綜述文章，系統(tǒng)總結(jié)并展望了熱催化、電催化、光催化技術(shù)在甲烷溫和條件下直接轉(zhuǎn)化方面的研究進(jìn)展。

甲烷是天然氣、頁巖氣、可燃冰等的主要成分，是一種豐富的自然資源，它不僅被大量用作燃料供給，也是眾多工業(yè)化學(xué)品的源頭原料。因此，甲烷的催化轉(zhuǎn)化在工業(yè)和學(xué)術(shù)界引起了廣泛的研究興趣。然而，甲烷分子的高度穩(wěn)定性，以及高的C-H鍵能使其在溫和條件下的活化或轉(zhuǎn)化極具挑戰(zhàn)，甲烷的選擇活化和定向轉(zhuǎn)化也因此被認(rèn)為是催化化學(xué)領(lǐng)域中的圣杯式課題。目前，工業(yè)上甲烷的轉(zhuǎn)化主要是經(jīng)水蒸氣重整制備合成氣（Syngas，一氧化碳和氫氣的混合氣），以及合成氣后續(xù)進(jìn)一步轉(zhuǎn)化成各類有機(jī)化學(xué)品。該路線中甲烷水蒸氣重整過程通常需要在高溫（700°C-1100°C）條件下進(jìn)行，合成氣的后續(xù)轉(zhuǎn)化也通常需要高溫高壓等苛刻條件，這增加了該過程的經(jīng)濟(jì)成本和環(huán)境壓力。因此，探索溫和條件下甲烷直接轉(zhuǎn)化制備高附加值的化學(xué)品的技術(shù)是一個(gè)迫切但又極具挑戰(zhàn)的課題。

該綜述系統(tǒng)總結(jié)了熱催化、電催化、光催化在甲烷溫和條件下轉(zhuǎn)化的研究進(jìn)展，尤其對(duì)其中具有優(yōu)異C-H活化能力的催化劑進(jìn)行了重點(diǎn)介紹，在催化劑設(shè)計(jì)、理論計(jì)算模擬、反應(yīng)條件的選擇、產(chǎn)物精確定量等方面進(jìn)行了詳細(xì)的論述。綜述展望了未來甲烷活化和轉(zhuǎn)化的發(fā)展方向，指出了將來開發(fā)低溫下利用氧氣進(jìn)行甲烷轉(zhuǎn)化的迫切性，指出限域單中心活性位點(diǎn)以及多組元催化劑在未來甲烷低溫催化轉(zhuǎn)化方面的重要性，并提出采用多能（熱、電、光）耦合進(jìn)行甲烷催化轉(zhuǎn)化將有利于集成各種活化方式的優(yōu)勢以實(shí)現(xiàn)更加高效的甲烷轉(zhuǎn)化。綜述為未來開發(fā)更加高效的甲烷轉(zhuǎn)化新途徑提供了借鑒。

鄧德會(huì)與包信和研究團(tuán)隊(duì)長期聚焦于二維材料及其在能源小分子催化轉(zhuǎn)化方面的研究，近期發(fā)現(xiàn)這種石墨烯限域單鐵原子活性位甚至可以在室溫下催化氧化甲烷，并獲得高附加值的含氧有機(jī)化合物（Chem，2018）。這些結(jié)果表明二維材料限域活性中心體系在催化C-H鍵活化和轉(zhuǎn)化方面具有潛在的應(yīng)用前景。