近日，中國科學院大連化學物理研究所催化基礎國家重點實驗室研究員鄧德會和院士包信和帶領的研究團隊在長期深入研究二維催化材料和納米限域催化的基礎上，發現石墨烯限域的單原子鐵中心可以在室溫條件下（25 C）直接將甲烷催化轉化為高附加值的C1含氧化合物。相關結果以全文形式發表于Cell Press旗下的《化學》（Chem）期刊上。

大連化物所實現甲烷室溫直接催化轉化

　　甲烷是天然氣、頁巖氣、可燃冰的主要成分，甲烷轉化成高附加值的燃料或化學品是世界能源經濟的迫切需求。然而，甲烷是最穩定的烷烴分子，具有高度的四面體對稱性，其電離能高、不具有電子親和性、沒有永久電偶極矩且極化率低，其C-H鍵的鍵能高達434 KJ/mol，極難在溫和條件下活化。因此，甲烷的選擇活化和定向轉化一直是世界性的難題，被譽為化學領域“圣杯”式的研究課題。為了克服高的反應能壘，甲烷的轉化往往需要在高的反應溫度（600-1100 C）下進行，如何降低反應溫度，將對其基礎研究和工業應用具有重要意義。盡管眾多的研究人員做了大量的探索，但在溫和條件尤其在室溫條件下，并且不需要引入如光、電、等離子體等任何其它形式的能量，直接將甲烷催化轉化成高附加的燃料或化學品仍極具挑戰。

　　該團隊在前期研究二維催化材料溫和條件下活化C-H鍵（Sci. Adv.，Nat. Commun.）的基礎上，經過長達6年的努力，設計出一系列石墨烯限域的3d過渡金屬中心（錳，鐵，鈷，鎳，銅）催化材料，發現石墨烯限域的單鐵中心在室溫條件下，以雙氧水為氧化劑，可以直接將甲烷催化轉化為C1含氧化合物。團隊與韓秀文研究員、李海洋研究員等合作，借助高分辨液體核磁共振波譜和飛行時間質譜原位表征等手段，發現石墨烯限域的單鐵中心可以將甲烷直接轉化為CH₃OH，CH₃OOH，HOCH₂OOH和HCOOH等C1含氧化合物。進一步結合DFT理論計算發現，甲烷的轉化遵從自由基的反應路線，反應過程中原位生成的O-FeN₄-O具有高的活性，可以將甲烷通過自由基首先轉化為CH₃OH和CH₃OOH，生成的CH₃OH會進一步被轉化成HOCH₂OOH和HCOOH。該工作的發表受到了廣泛的關注，英國皇家化學會化學世界網站（Chemistry World）以“Catalyst Converts Methane to Methanol at Room Temperature”為題對該工作進行了亮點報道。同時，廈門大學的王野教授以“Room-Temperature Conversion of Methane Becomes True”為題在Joule期刊上專文（Preview）對本工作進行了介紹，評價該工作是“A significant breakthrough in methane chemistry（甲烷化學領域的重要突破）”，并認為該工作不僅為溫和條件下甲烷轉化高效催化劑的設計提供了新思路，也極大地鼓舞了甲烷催化轉化領域的發展。

　　以上研究得到了國家科技部重點研發計劃、國家自然科學基金委、中科院前沿科學重點研究項目、中科院戰略性先導科技專項、教育部能源材料化學協同創新中心（2011 iChEM）和博士后創新人才支持計劃的資助。