中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)的曾杰教授團(tuán)隊(duì)近期取得了重大科研成果，他們成功研發(fā)出一種新型的分子篩負(fù)載的金-鐵雙金屬催化劑，這一成果在低溫甲烷氧化制乙酸的研究中顯示出顯著效果。
該催化劑的特別之處在于，它能在水中以氧氣為氧化劑，并且在一氧化碳的存在下，將甲烷有效地氧化為乙酸。這項(xiàng)研究不僅為低溫條件下甲烷到乙酸的轉(zhuǎn)化提供了高效的催化方法，還進(jìn)一步加深了科學(xué)家們對于氧化劑作用機(jī)制的理解。相關(guān)論文已在《德國應(yīng)用化學(xué)》上發(fā)表。
詳細(xì)來說，這款催化劑的工作原理是，金納米粒子催化一氧化碳、氧氣和水生成活性的羥基物種，而原子級別分散的鐵元素則推動了羥基介導(dǎo)的甲烷氧化及碳-碳偶聯(lián)反應(yīng)，最終生成乙酸。在120℃下反應(yīng)3小時(shí)后，該催化劑能實(shí)現(xiàn)每克5.7毫摩爾的乙酸收率，且乙酸在液相產(chǎn)物中的選擇性高達(dá)92%。即使在60℃的低溫條件下，該催化劑依然能表現(xiàn)出其活性。
由于甲烷的化學(xué)性質(zhì)相對穩(wěn)定，且氧氣在低溫下活性不高，因此在這樣的條件下用氧氣氧化甲烷制備乙酸是一個(gè)技術(shù)難題。曾杰團(tuán)隊(duì)的研究通過引入一氧化碳，為乙酸的合成開辟了新的路徑。
過去的研究已經(jīng)認(rèn)識到，在這種反應(yīng)中，一氧化碳可以扮演還原劑、配體和反應(yīng)物的多重角色。但此前的催化劑通常需要在大約150℃才能實(shí)現(xiàn)甲烷到乙酸的氧化，而在較低的溫度下幾乎無法生成乙酸。
在此之前，低溫下甲烷到乙酸的氧化通常需要使用強(qiáng)氧化劑，如過氧化氫或過硫酸鉀與三氟乙酸的混合物。曾杰團(tuán)隊(duì)的研究探索了一氧化碳及溶劑水在反應(yīng)中的其他作用，為在低溫條件下利用氧氣氧化甲烷制備乙酸提供了新的思路。
通過同位素標(biāo)記、捕獲實(shí)驗(yàn)、分段實(shí)驗(yàn)以及多種先進(jìn)的分析技術(shù)，研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，一氧化碳在水的存在下能輔助氧氣活化為活性羥基物種。這些活性羥基物種進(jìn)而介導(dǎo)甲烷的氧化，并與一氧化碳發(fā)生碳-碳偶聯(lián)，最終生成乙酸。這一發(fā)現(xiàn)不僅解釋了催化劑的工作原理，也為進(jìn)一步的催化劑優(yōu)化和應(yīng)用提供了理論基礎(chǔ)。
