我院王帥教授同華盛頓州立大學(xué)王勇教授合作在甲烷選擇氧化反應(yīng)非金屬硼基催化劑的研究中取得重要進(jìn)展，相關(guān)成果以“Direct conversion of methane to formaldehyde and CO on B2O3 catalysts”為題發(fā)表于《自然-通訊》期刊（Nature Communications, 2020, 11, 5693）。
甲烷作為天然氣的主要組成成分，是非常重要的碳基資源。由于甲烷分子中C-H鍵的高鍵能及弱極性，其活化通常需要在較苛刻的反應(yīng)條件下進(jìn)行，選擇性難以控制，使得如何實(shí)現(xiàn)甲烷的化學(xué)定向轉(zhuǎn)化極具挑戰(zhàn)性，甚至被譽(yù)為化學(xué)領(lǐng)域的“圣杯”。例如，甲烷通過部分氧化反應(yīng)可以制得甲醇、甲醛、CO等C1平臺分子，但這些產(chǎn)物往往比甲烷更易發(fā)生深度氧化而生成熱力學(xué)穩(wěn)定的CO2，導(dǎo)致甲烷部分氧化反應(yīng)的選擇性受限，成為該轉(zhuǎn)化路線實(shí)際應(yīng)用的瓶頸。
本研究中發(fā)現(xiàn)負(fù)載型B2O3催化劑在甲烷直接氧化反應(yīng)中表現(xiàn)出優(yōu)異的抗深度氧化能力。在550°C、常壓和近6%的甲烷轉(zhuǎn)化率下，甲烷在該類非金屬催化劑上可高選擇性生成甲醛和CO（選擇性之和達(dá)94%），而CO2的選擇性低于5%，明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的金屬氧化物催化劑。特別的，產(chǎn)物中甲醛與CO的摩爾比例接近1/1，提供了在下游轉(zhuǎn)化中通過羰基化反應(yīng)一步合成乙酸或乙醇酸的可能性。同時，B2O3基催化劑在反應(yīng)100 h內(nèi)保持性能穩(wěn)定，且選擇性幾乎不受O2分壓的影響，顯示出一定的實(shí)際應(yīng)用潛力。反應(yīng)機(jī)理研究進(jìn)一步表明，吸附于B2O3表面三配位B中心上具有弱親核性的分子氧是甲烷選擇性氧化的關(guān)鍵氧物種，有別于傳統(tǒng)金屬氧化物催化劑上強(qiáng)親核性晶格氧。硼基催化劑的研究揭示了調(diào)控活性氧物種的親核能力對甲烷氧化反應(yīng)選擇性的顯著影響，為設(shè)計高效的甲烷選擇氧化催化劑提供了新的思路。
本研究工作是在王帥教授和王勇教授的共同指導(dǎo)下完成。2015級博士生田金樹（已畢業(yè)）、碩士生談江喬（已畢業(yè)）以及醇醚酯清潔生產(chǎn)國家工程實(shí)驗室張朝霞工程師為共同第一作者，林敬東副教授和萬紹隆副教授等參與了部分研究和討論。研究工作得到了國家自然科學(xué)基金（21922201、21872113、91945301、21673189、91545114）和中央高校基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項資金（20720190036、20720160032）的資助與支持。
論文連接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-19517-y
