博士后张强、博士生李嘉梁在《CCS Chemistry》发表论文

随着石油资源开采量的不断增加和储量的不断减少，探索替代石油作为原料生产甲酸、甲醇、乙酸、乙醇等高附加值含氧化合物具有重要意义。天然气全球储量超过190万亿立方米，其主要包含70-90%甲烷（CH₄）和1-10%乙烷（C₂H₆）。催化甲烷和乙烷低温转化制备含氧化合物，具有成本低廉和环境友好等特性，已被研究者广泛关注。沸石分子筛负载铁基催化剂可实现低温条件下活化甲烷和乙烷分子，其中，骨架外单核和双核Fe³⁺物种被认为是C–H键活化中心。然而，如何提高骨架外单核和双核Fe³⁺物种的含量仍然具有挑战性；此外，甲烷和乙烷的低温转化机理亦不明确。

近日，吉林大学于吉红教授与天津工业大学梅东海教授合作在《CCS Chemistry》上发表题为“Regulating Mono/Binuclear Fe Species in Framework Al-Rich Zeolites for Efficient Low-Temperature Alkane Oxidation”的研究工作。该工作开发了一种氨基酸辅助原位合成策略，在富铝ZSM-5（Si/Al=9）分子筛孔道内实现构筑单核/双核Fe³⁺物种，其高含量的骨架Al物种，有助于提高骨架外单核和双核Fe³⁺物种的含量及稳定性。所制备0.44Fe@Z-L_0.3H₆-9催化剂（Si/Al=9，Fe loading=0.44wt%）在甲烷和乙烷低温氧化反应中展现出优异的催化性能。结合催化实验、先进表征技术和密度泛函理论计算，本文揭示了分子筛负载铁基催化剂催化甲烷和乙烷转化机制，提出了完整的催化路径，并发现单核Fe³⁺物种的催化活性显著高于双核Fe³⁺物种；在乙烷低温转化中，证明了C−C键断裂发生在乙醛中间产物上，进而形成甲酸主产物。本工作不仅揭示了低碳烷烃选择性氧化的反应机制，而且为定向合成高性能金属催化剂提供了新途径。相关成果发表在《CCS Chemistry》杂志上，第一作者为鼎新博士后张强，2022级博士生李嘉梁，天津工业大学博士生何广源。

CCS Chem., 2024, DOI:10.31635/ccschem.024.202404123

全文链接：https://www.chinesechemsoc.org/doi/abs/10.31635/ccschem.024.202404123