中国科学技术大学成功研发分子筛负载金催化剂：引领化学领域新突破

中国科大教授团队研发新型分子筛负载金-铁双金属催化剂 实现低温甲烷氧化制乙酸重大进展

IT之家报道，中国科学技术大学的曾杰教授团队在催化剂研发领域取得了重大突破。
该团队成功研发出一种分子筛负载的金-铁双金属催化剂，在低温甲烷氧化制乙酸方面取得了显著进展。
这一成果对于深化科学家对氧化剂作用的认知，以及为低温下将甲烷氧化为乙酸提供高效催化剂具有重要意义。
相关研究成果已经发表在《德国应用化学》杂志上，并引起了业界的广泛关注。

一、研究背景与动机

甲烷是一种极为丰富的天然气资源，但其化学惰性使得其转化面临诸多挑战。
在低温条件下，以氧气为氧化剂将甲烷转化为乙酸一直是化学领域的一个难题。
传统的方法通常需要在较高的温度下或者依赖强氧化剂，这不仅能耗较高，而且可能导致副反应的发生。
因此，研发一种能够在低温条件下，以氧气为氧化剂，高效地将甲烷转化为乙酸的催化剂具有重要的实用价值。

二、研究成果概述

曾杰教授团队经过不懈努力，成功研发出这种分子筛负载的金-铁双金属催化剂。
该催化剂能够在水中以氧气为氧化剂，并在一氧化碳的存在下，将甲烷氧化为乙酸。
这一突破性的成果为低温下甲烷的氧化转化提供了新的可能性。

三、研究内容与方法

该催化剂的制备过程结合了金纳米粒子和原子级分散的铁物种。
金纳米粒子主要负责催化一氧化碳、氧气和水生成活性羟基物种，而铁物种则促进羟基介导的甲烷氧化和碳-碳偶联过程，从而生成乙酸。

在实验中，该催化剂在120℃反应3小时的条件下，实现了5.7毫摩尔每克的乙酸收率，液相产物中乙酸选择性达到92%。
更令人惊讶的是，该催化剂在60℃时依然表现出活性，这意味着它在低温下的催化效率非常高。

为了深入探究该催化剂的催化机理，研究团队通过同位素标记实验、捕获实验、分段实验、顺磁共振、高分辨质谱和原位漫反射红外等手段，发现一氧化碳在水存在下辅助氧气活化为活性羟基物种。
这些活性羟基物种随后介导甲烷氧化，并与一氧化碳发生碳-碳偶联生成乙酸。

四、研究成果的影响与意义

这项研究不仅为低温下甲烷的氧化转化提供了新的催化剂和可能的路线，而且深化了科学家对氧化剂作用的认知。
与传统的催化剂相比，该催化剂更加高效、稳定，并且能够在较为温和的条件下实现甲烷的氧化转化。
这不仅降低了能耗，而且减少了副反应的发生，具有很高的实用价值。

该研究提出的羟基介导策略在乙烷氧化制丙酸和丙烷氧化制丁酸等领域也具有广泛的应用前景。
这为其他烃类的氧化转化提供了新的可能性。

五、未来展望

尽管这项研究取得了重大的进展，但科学家们仍然需要进一步探索该催化剂的催化机理以及优化其催化效率。
该催化剂的大规模生产和实际应用也是未来的研究方向。

曾杰教授团队的研究成果为低温下甲烷的氧化转化提供了新的催化剂和策略，具有极高的科学价值和实践意义。
我们期待这一成果在未来能够为天然气的高效转化和化工产业的发展带来更多的机遇和挑战。

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