近日，江南大學化工學院劉小浩教授團隊在揭示甲烷無氧催化轉(zhuǎn)化制芳烴的新的活性中心的研究中取得重要進展，研究成果以題為“Identification of atomically dispersed Fe-oxo species as new active sites in HZSM-5 for efficient non-oxidative methane dehydroaromatization”發(fā)表在催化領(lǐng)域權(quán)威期刊《Journal of Catalysis》（J. Catal., 2021,396, 224-241）。該論文化工學院胥月兵副教授為第一作者，劉小浩教授為通訊作者。
甲烷（CH4）是一種重要的低碳（高H/C比）含碳資源，是天然氣、煤層氣、頁巖氣和可燃冰中的主要成分。然而，CH4具有強溫室效應。因此，將其高效催化轉(zhuǎn)化為高附價值的化學品和環(huán)境友好的“綠色氫源”具有重要的現(xiàn)實意義。CH4無氧脫氫芳構(gòu)化生成芳烴和氫氣是原子經(jīng)濟反應，是實現(xiàn)上述過程的有效途徑。CH4作為一種高度穩(wěn)定的、最簡單的烴分子，在高溫下實現(xiàn)其分子中C-H鍵的可控活化轉(zhuǎn)化仍極具挑戰(zhàn)。一直以來，CH4無氧芳構(gòu)化反應主要圍繞著鉬基分子篩催化劑開展研究，其他過渡金屬如鐵等作為活性組分普遍被認為具有很低的活性和芳烴選擇性。然而，江南大學劉小浩團隊基于對CH4分子中C-H鍵可控活化機制的認識和理解，通過調(diào)控Fe物種在HZSM-5分子篩中的存在形式，實現(xiàn)了CH4分子的可控活化，高效轉(zhuǎn)化生成芳烴。實驗和表征結(jié)果表明：Fe-oxo活性物種（含氧鐵物種）對實現(xiàn)C-H鍵的可控活化起關(guān)鍵作用。比較而言，金屬鐵或碳化鐵物種能使CH4分子深度脫氫，生成積碳，減少目標產(chǎn)物芳烴的生成。有趣的是，盡管該項研究使用含硫的二價鐵前驅(qū)體（FeSO4）經(jīng)離子交換形成活性中心，然而殘存的硫（S）并沒有因其提升C-H鍵活化而影響目標產(chǎn)物芳烴的生成。上述研究得到國家自然科學基金（21606108, 21576119, 21878127)、中央高?；究蒲袠I(yè)務重點項目（JUSRP51720B）、內(nèi)蒙古自治區(qū)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)計劃（2019GG321）和鄂爾多斯市重大專項等項目的資助。Journal of Catalysis為物理化學和化學工程學科最為傳統(tǒng)、最具影響力的期刊之一，致力于發(fā)表催化領(lǐng)域原創(chuàng)、系統(tǒng)的研究成果，屬于中科院一區(qū)Top期刊。
▲圖1.鐵物種類型對CH4活化轉(zhuǎn)化的影響▲圖2.反應前(a)和反應后(b)鐵物種穆斯堡爾譜表征結(jié)果
