南开大学和中国石化上海石油化工研究院的分子筛催化甲烷制甲醇研究获进展

近日，南开大学和中国石化上海石油化工研究院的研究团队合作采用铜基路易斯酸分子筛催化材料，在甲烷选择性催化氧化制甲醇研究中获进展。相关成果发表于《化学》期刊。

甲烷是一种丰富的化石资源，甲烷的选择性活化和定向转化是催化和化学领域的一个非常具有挑战性的课题。受甲烷单加氧酶催化反应的启示，开发了过渡金属离子交换分子筛用于甲烷间歇转化制甲醇反应，然而该反应效率极低。

该研究团队采用铜基路易斯酸分子筛催化材料(Cu-CHA)，开发了甲烷在水和氧气作用下连续制甲醇的催化氧化过程。在573 K时，Cu-CHA催化材料的甲醇时空产率为543 μmol/(molCu·h)，甲醇选择性为91%。同位素标记试验结果表明，水是甲醇产物羟基的表观氧源和氢源。谱学表征结果证实，甲烷选择氧化过程中Cu2+-Cu+-Cu2+的快速氧化还原循环与Cu-CHA的高催化活性密切相关。密度泛函理论(DFT)计算结果表明，Cu-CHA中的CuOH单体和二聚体为催化活性中心，氧气直接参与反应过程，反应中以CuOOH作为关键中间体实现甲烷选择氧化制甲醇，同时各种不同结构的Cu位点在本反应条件下可能发生相互转化。