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邓德会/于良Nature Catalysis：甲烷与O2在室温下直接转化

时间：2023-10-04 来源： 浏览：

邓德会/于良Nature Catalysis：甲烷与O2在室温下直接转化

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直接使用廉价的O 2 作为氧化剂，在低温下将甲烷（CH 4 ）转化为增值化学品，为甲烷的利用提供了一条理想的途径，但由于甲烷的化学惰性和O 2 的低活性，这仍然是一个很大的挑战。
基于此， 中国科学院大连化学物理研究所邓德会研究员和于良副研究员等人 报道了在25 °C的富边MoS 2 催化剂上实现甲烷与O 2 直接转化为C1氧合物的人工过程，该过程实现了4.2%的甲烷转化率和超过99%的C1氧合物选择性。
通过密度泛函理论（DFT）计算，作者研究了O 2 在MoS 2 催化剂上转化CH 4 的活性位点的性质。
结果表明，SVs的钼（Mo）位点表现出较高的O 2 活化活性。以三重SVs为例，当生成Mo=O*物种时，两个 O 2 分子在SVs的Mo位点上的解离吸附是强吸能的，自由能变化为-10.81 eV。第三个O 2 的解离吸附形成O-Mo=O*物质需要1.11 eV的高活化能，在动力学上是不利的。当使用显水层引入水溶剂化效应时，在水氢键的稳定作用下，明显促进了第三O 2 的解离吸附，活化能显著降低0.70 eV，形成水稳定的O=Mo=O*物种。
MoS 2 边缘SVs上Mo位点独特的几何和电子结构，使其在水环境中对O 2 具有较高的活化活性，形成O=Mo=O*物种。对比Mo=O*和O-Mo=O*，O=Mo=O*具有更高的CH 4 活化活性，其所需的活化能为0.70 eV，明显低于Mo=O*和O-Mo=O*的2.02 eV和1.09 eV，表明水通过形成O=Mo=O*活性中心促进CH 4 转化的重要作用。
在其他所有CH 4 转化条件不变的情况下，反应体系中几乎没有检测到产物。O=Mo=O*的活性较高是由于在没有水的情况下，与Mo=O*和O-Mo=O*的能级相比，O=Mo=O*的能级在费米能级附近的电子密度明显更高。
Direct conversion of methane with O 2 at room temperature over edge-rich MoS 2 . Nat. Catal., 2023 , DOI: 10.1038/s41929-023-01030-2.
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