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中科院大連化物所鄧德會(huì)/于良Nature Catalysis：甲烷與O2在室溫下直接轉(zhuǎn)化

直接使用廉價(jià)的O₂作為氧化劑，在低溫下將甲烷（CH₄）轉(zhuǎn)化為增值化學(xué)品，為甲烷的利用提供了一條理想的途徑，但由于甲烷的化學(xué)惰性和O₂的低活性，這仍然是一個(gè)很大的挑戰(zhàn)。

基于此，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所鄧德會(huì)研究員和于良副研究員等人報(bào)道了在25 °C的富邊MoS₂催化劑上實(shí)現(xiàn)甲烷與O₂直接轉(zhuǎn)化為C1氧合物的人工過程，該過程實(shí)現(xiàn)了4.2%的甲烷轉(zhuǎn)化率和超過99%的C1氧合物選擇性。

通過密度泛函理論（DFT）計(jì)算，作者研究了O₂在MoS₂催化劑上轉(zhuǎn)化CH₄的活性位點(diǎn)的性質(zhì)。

結(jié)果表明，SVs的鉬（Mo）位點(diǎn)表現(xiàn)出較高的O₂活化活性。以三重SVs為例，當(dāng)生成Mo=O*物種時(shí)，兩個(gè)O₂分子在SVs的Mo位點(diǎn)上的解離吸附是強(qiáng)吸能的，自由能變化為-10.81 eV。第三個(gè)O₂的解離吸附形成O-Mo=O*物質(zhì)需要1.11 eV的高活化能，在動(dòng)力學(xué)上是不利的。當(dāng)使用顯水層引入水溶劑化效應(yīng)時(shí)，在水氫鍵的穩(wěn)定作用下，明顯促進(jìn)了第三O₂的解離吸附，活化能顯著降低0.70 eV，形成水穩(wěn)定的O=Mo=O*物種。

MoS₂邊緣SVs上Mo位點(diǎn)獨(dú)特的幾何和電子結(jié)構(gòu)，使其在水環(huán)境中對(duì)O₂具有較高的活化活性，形成O=Mo=O*物種。對(duì)比Mo=O*和O-Mo=O*，O=Mo=O*具有更高的CH₄活化活性，其所需的活化能為0.70 eV，明顯低于Mo=O*和O-Mo=O*的2.02 eV和1.09 eV，表明水通過形成O=Mo=O*活性中心促進(jìn)CH₄轉(zhuǎn)化的重要作用。

在其他所有CH₄轉(zhuǎn)化條件不變的情況下，反應(yīng)體系中幾乎沒有檢測(cè)到產(chǎn)物。O=Mo=O*的活性較高是由于在沒有水的情況下，與Mo=O*和O-Mo=O*的能級(jí)相比，O=Mo=O*的能級(jí)在費(fèi)米能級(jí)附近的電子密度明顯更高。

Direct conversion of methane with O₂ at room temperature over edge-rich MoS₂. Nat. Catal., 2023, DOI: 10.1038/s41929-023-01030-2.

原創(chuàng)文章，作者：Gloria，如若轉(zhuǎn)載，請(qǐng)注明來源華算科技，注明出處：http://m.xiubac.cn/index.php/2023/10/05/b0525e7bff/

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