近日，我所催化基礎國家重點實驗室能源與環境小分子催化研究組（509組）鄧德會研究員、于良副研究員團隊在甲烷室溫催化轉化的研究中取得新進展。團隊發現二維MoS2邊硫空位限域的配位不飽和雙Mo位點，可以在室溫下催化甲烷與氧氣高選擇性轉化為C1含氧產物，該研究為開發甲烷與氧氣室溫催化轉化過程提供了新思路。
甲烷直接催化轉化制高附加值化學品是世界性難題，被譽為化學領域的“圣杯”，這主要是由于甲烷的低極化率和高的C-H鍵能（439kJ/mol），使其轉化通常需要借助高溫（大于600oC）、強氧化劑（如發煙硫酸）或外場（如等離子體）等苛刻的反應條件，但這又極易導致目標產物發生過度轉化（如生成CO2等）。利用廉價、綠色的氧氣在低溫甚至室溫下直接定向轉化甲烷是一個“夢想反應”。然而，氧氣分子極難在溫和條件下持續形成可活化甲烷C-H鍵的活性氧物種，導致室溫下甲烷與氧氣直接催化轉化非常具有挑戰性。
鄧德會團隊長期聚焦二維催化材料的表界面調控與甲烷等能源小分子的催化轉化研究（Nat. Catal.，2021；Chem Catal.，2022；Nano Energy，2021；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；Chem，2018；Nat. Commun.，2017；Energy Environ. Sci.，2015）。
本工作在此基礎上，通過模擬自然界中甲烷單加氧酶的雙核金屬中心，構筑了MoS2邊硫空位限域的配位不飽和雙Mo位點，實現了甲烷與氧氣室溫直接催化轉化制C1含氧產物。相比于之前報道的化學循環反應體系中復雜的氧氣/甲烷分步變溫活化和低的甲烷轉化率（<1%），該催化體系可在25oC下實現甲烷與氧氣一步直接轉化為甲醇等C1含氧產物，甲烷的最高轉化率可達4.2%，同時C1含氧產物的選擇性大于99%，有效抑制了CO2的生成。結合時間分辨原位表征與理論計算研究發現，MoS2邊硫空位限域的配位不飽和雙Mo位點可在室溫下直接解離氧氣分子形成高活性O=Mo=O*物種，該物種能夠高效活化甲烷C-H鍵進而將甲烷經由甲氧基中間體轉化為C1含氧產物。
相關研究成果以“Direct conversion of methane with O2 at room temperature over edge-rich MoS2”為題，于近日發表在《自然—催化》（Nature Catalysis）上。上述工作得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院B類先導專項“功能納米系統的精準構筑原理與測量”等項目的支持。（文/圖 毛軍、崔曉菊）
