大連化物所實(shí)現(xiàn)室溫下電催化甲烷和氧氣轉(zhuǎn)化制甲酸

近日，中國(guó)科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所催化基礎(chǔ)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室能源與環(huán)境小分子催化研究中心研究員鄧德會(huì)、副研究員崔曉菊和于良副研究員等在甲烷室溫電催化轉(zhuǎn)化的研究中取得新進(jìn)展，實(shí)現(xiàn)了由高壓-電芬頓驅(qū)動(dòng)的甲烷與氧氣室溫高效催化轉(zhuǎn)化制甲酸新過(guò)程。

甲烷與氧氣直接催化轉(zhuǎn)化制高附加值含氧化學(xué)品是天然氣資源高值化利用的有效途徑。然而，在溫和條件下活化氧氣分子形成能夠解離甲烷C-H鍵的高活性氧物種非常困難，導(dǎo)致低溫下甲烷與氧氣高效轉(zhuǎn)化極具挑戰(zhàn)。

大連化物所實(shí)現(xiàn)室溫下電催化甲烷和氧氣轉(zhuǎn)化制甲酸

鄧德會(huì)團(tuán)隊(duì)長(zhǎng)期致力于溫和條件下甲烷的催化轉(zhuǎn)化研究，前期在甲烷低溫催化轉(zhuǎn)化制含氧化學(xué)品的研究中取得了系列進(jìn)展（Nat. Catal.，2023；Chem，2018；Chem，2019；Chem，2020；Nano Energy，2021；Chem Catal.，2022）。在此基礎(chǔ)上，該團(tuán)隊(duì)基于自主研制的高壓-電化學(xué)反應(yīng)釜，開發(fā)了由高壓-電芬頓驅(qū)動(dòng)的甲烷與氧氣催化轉(zhuǎn)化新途徑，在電解池的陰極區(qū)實(shí)現(xiàn)室溫下電催化甲烷與氧氣高效轉(zhuǎn)化制甲酸。研究表明，氧氣首先在陰極銀箔上經(jīng)由兩電子轉(zhuǎn)移路徑還原生成雙氧水，雙氧水進(jìn)一步與溶液中的Fe2+通過(guò)均相芬頓反應(yīng)，生成高活性的氧物種羥基自由基，羥基自由基連續(xù)活化C-H鍵并將甲烷轉(zhuǎn)化成甲酸。進(jìn)一步，團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)提高氧氣的分壓可促進(jìn)雙氧水的生成，而提高甲烷的分壓可以有效增強(qiáng)溶液中甲烷和羥基自由基之間的碰撞幾率，進(jìn)而提高產(chǎn)物甲酸的收率和法拉第效率。相比于傳統(tǒng)的甲烷電催化轉(zhuǎn)化高的過(guò)電位（＞0.9 V）和低的法拉第效率（＜60%），該高壓-電芬頓體系在0.38V的低過(guò)電位下實(shí)現(xiàn)了高達(dá)81.4%的甲酸法拉第效率，甲酸時(shí)空收率可達(dá)到11.5 mmol h-1 gFe-1，該過(guò)程為低溫下甲烷與氧氣的高效催化轉(zhuǎn)化提供了新思路。

相關(guān)研究成果以“High-pressure electro-Fenton driving CH4 conversion by O2 at room temperature”為題，于近日發(fā)表在《美國(guó)化學(xué)會(huì)雜志》（Journal of the American Chemical Society）上，并被選為封面文章（Supplementary Cover）。上述工作得到了國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃、國(guó)家自然科學(xué)基金、中國(guó)科學(xué)院B類先導(dǎo)專項(xiàng)“功能納米系統(tǒng)的精準(zhǔn)構(gòu)筑原理與測(cè)量”等項(xiàng)目的支持。

文章鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c10825