大連化物所實現室溫下電催化甲烷和氧氣轉化制甲酸

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能源與環境小分子催化研究中心研究員鄧德會以及副研究員崔曉菊和于良等，在甲烷室溫電催化轉化的研究中取得進展。該研究實現了由高壓-電芬頓驅動的甲烷與氧氣室溫高效催化轉化制甲酸新過程。

甲烷與氧氣直接催化轉化制高附加值含氧化學品，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鍵的高活性氧物種頗為困難，導致低溫下甲烷與氧氣高效轉化頗具挑戰性。

鄧德會團隊致力于溫和條件下甲烷的催化轉化研究，在甲烷低溫催化轉化制含氧化學品的研究中取得了系列進展。在此基礎上，該團隊基于自主研制的高壓-電化學反應釜，開發了由高壓-電芬頓驅動的甲烷與氧氣催化轉化新途徑，在電解池的陰極區實現室溫下電催化甲烷與氧氣高效轉化制甲酸。研究表明，氧氣在陰極銀箔上經由兩電子轉移路徑還原生成雙氧水，雙氧水進一步與溶液中的Fe²⁺通過均相芬頓反應，生成高活性的氧物種羥基自由基，羥基自由基連續活化C-H鍵并將甲烷轉化成甲酸。進一步，研究發現提高氧氣的分壓可促進雙氧水的生成，而提高甲烷的分壓可以有效增強溶液中甲烷和羥基自由基之間的碰撞幾率，進而提高產物甲酸的收率和法拉第效率。相比于傳統的甲烷電催化轉化高的過電位和低的法拉第效率，該高壓-電芬頓體系在0.38V的低過電位下實現了高達81.4%的甲酸法拉第效率，甲酸時空收率可達11.5 mmol h^-1?gFe^-1。該過程為低溫下甲烷與氧氣的高效催化轉化提供了新思路。

相關研究成果以High-pressure electro-Fenton driving CH₄?conversion by O₂?at room temperature為題，發表在《美國化學會志》（JACS）上，并被選為封面文章。研究工作得到國家重點研發計劃、國家自然科學基金、中國科學院戰略性先導科技專項（B類）“功能納米系統的精準構筑原理與測量”等的支持。

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大連化物所實現室溫下電催化甲烷和氧氣轉化制甲酸