利用石墨烯實(shí)現(xiàn)甲烷室溫直接催化轉(zhuǎn)化

       甲烷是天然氣、頁(yè)巖氣、可燃冰的主要成分，甲烷轉(zhuǎn)化成高附加值的燃料或化學(xué)品是世界能源經(jīng)濟(jì)的迫切需求。然而，甲烷是最穩(wěn)定的烷烴分子，具有高度的四面體對(duì)稱性，其電離能高、不具有電子親和性、沒(méi)有永久電偶極矩且極化率低，其C-H鍵的鍵能高達(dá)434 KJ/mol，極難在溫和條件下活化。因此，甲烷的選擇活化和定向轉(zhuǎn)化一直是世界性的難題，被譽(yù)為化學(xué)領(lǐng)域“圣杯”式的研究課題。

為了克服高的反應(yīng)能壘，甲烷的轉(zhuǎn)化往往需要在高的反應(yīng)溫度（600-1100°C）下進(jìn)行，如何降低反應(yīng)溫度，將對(duì)其基礎(chǔ)研究和工業(yè)應(yīng)用具有重要意義。盡管眾多的研究人員做了大量的探索，但在溫和條件尤其在室溫條件下，并且不需要引入如光、電、等離子體等任何其它形式的能量，直接將甲烷催化轉(zhuǎn)化成高附加的燃料或化學(xué)品仍極具挑戰(zhàn)。

       沈陽(yáng)團(tuán)隊(duì)在前期研究二維催化材料溫和條件下活化C-H鍵（Sci. Adv.，Nat. Commun.）的基礎(chǔ)上，經(jīng)過(guò)長(zhǎng)達(dá)6年的努力，設(shè)計(jì)出一系列石墨烯限域的3d過(guò)渡金屬中心（錳，鐵，鈷，鎳，銅）催化材料，發(fā)現(xiàn)石墨烯限域的單鐵中心在室溫條件下，以雙氧水為氧化劑，可以直接將甲烷催化轉(zhuǎn)化為C1含氧化合物。

團(tuán)隊(duì)與研究員韓秀文、李海洋等合作，借助高分辨液體核磁共振波譜和飛行時(shí)間質(zhì)譜原位表征等手段，發(fā)現(xiàn)石墨烯限域的單鐵中心可以將甲烷直接轉(zhuǎn)化為CH3OH，CH3OOH，HOCH2OOH和HCOOH等C1含氧化合物。

進(jìn)一步結(jié)合DFT理論計(jì)算發(fā)現(xiàn)，甲烷的轉(zhuǎn)化遵從自由基的反應(yīng)路線，反應(yīng)過(guò)程中原位生成的O-FeN4-O具有高的活性，可以將甲烷通過(guò)自由基首先轉(zhuǎn)化為CH3OH和CH3OOH，生成的CH3OH會(huì)進(jìn)一步被轉(zhuǎn)化成HOCH2OOH和HCOOH。