一种用于甲烷直接转化为甲醇的非过渡金属沸石催化剂

鉴于废物变财富运动，将温室气体转化为增值材料的技术近年来备受关注。其中一项技术是将甲烷催化转化为甲醇，甲醇是一种广泛使用的工业溶剂和化学合成原料。将甲烷转化为甲醇的工业过程极其耗能和资源。

过去十年，科学家开发了多种可使甲烷直接氧化为甲醇的催化剂体系，但大多数催化剂体系均基于稀有且昂贵的过渡金属或贵金属。

在最近的研究中，日本东京工业大学创新研究所纳米空间催化部门的副教授ToshiyukiYokoi和助理教授PeipeiXiao领导的一组研究人员找到了解决现有问题的方法，即无过渡金属的铝硅酸盐镁铝沸石(FER)。FER是一种二维沸石，具有8环通道和相交的10环通道，已知对化学和热处理具有高度稳定性。

利用这种独特的结构特性，横井和他的团队首次展示了以一氧化二氮作为氧源将甲烷直接氧化成甲醇。这项研究的结果于2024年4月10日发表在《美国化学学会杂志》上。

“过渡金属交换沸石已广泛应用于气相和液相反应体系。据报道，此类部分具有受天然生物催化酶系统启发的活性位点。

当被问及开发FER沸石的动机时，横井评论道：“虽然载有过渡金属的催化剂非常受欢迎，但仅由主族元素组成的用于将甲烷直接氧化为甲醇的沸石催化剂仍未被探索。”

为了清晰了解沸石催化剂中的活性位点，研究团队进行了傅里叶变换红外光谱(FTIR)和磁共振光谱分析。测试表明，在活化、煅烧和反应过程中，骨架中形成了扭曲的四配位Al，骨架外形成了五配位Al。这些结构被确立为潜在的活性中心。

研究团队还利用一氧化二氮吸附红外光谱，观察不同氧化剂下的反应性能，探索了可能的反应途径，发现该过程始于一氧化二氮在活性Al位点的吸收，形成“α-O”，进而释放出氮气。

随后甲烷吸附在活性“α-O”位点上，C−H键断裂，断裂后经解吸得到甲醇，再回收活性Al物质。

新的非过渡金属沸石催化直接氧化工艺使甲醇生产率达到305μmolg−1min−1，甲醇选择性为89%，二甲醚选择性为10%，是文献中报道的最高性能之一，甚至比许多负载过渡金属的催化剂还要好。

“我们的研究结果将为在无过渡金属的铝硅酸盐沸石上将甲烷直接氧化为甲醇开辟一条全新的途径，从而使甲烷和一氧化二氮能够在具有不同拓扑结构的铝硅酸盐沸石上利用为其他有用的化学物质，”横井补充道，描述了他们研究的实际意义。

总体而言，本研究提出的新战略可以通过减少大气中循环的温室气体量产生积极的环境影响，并通过促进从不需要的原材料合成有价值的化学品来促进经济发展。