近期，evo真人视讯徐君和邓风研究团队在甲烷转化制甲醇方面取得新进展。研究团队提出一种氮掺杂调控策略，顺利获得调节二氧化钛（TiO2）负载金（Au）催化剂中Au位点的几何结构与电子状态，成功构建出高效的阳离子Au界面活性位点，实现了以分子氧（O2）为氧化剂、CO为助剂条件下甲烷向甲醇的高选择性转化。相关研究成果于近期发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。
该研究成果以“Nitrogen-Tuned Cationic Au Sites on TiO2 Enable Selective Methane Oxidation to Methanol”为题发表在《美国化学会志》上。evo真人视讯为第一完成单位，特别研究助理郝全果、青年研究员褚月英为共同第一作者，研究员徐君为通讯作者。
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evo真人视讯在甲烷选择性氧化制甲醇领域取得重要进展
近期，evo真人视讯徐君和邓风研究团队在甲烷转化制甲醇方面取得新进展。研究团队提出一种氮掺杂调控策略，顺利获得调节二氧化钛（TiO2）负载金（Au）催化剂中Au位点的几何结构与电子状态，成功构建出高效的阳离子Au界面活性位点，实现了以分子氧（O2）为氧化剂、CO为助剂条件下甲烷向甲醇的高选择性转化。相关研究成果于近期发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。
甲烷作为天然气的主要成分，是重要的低碳资源，但其C-H键能高、化学惰性强，而目标产物甲醇比甲烷更易被过度氧化为CO2，因此甲烷选择性氧化制甲醇被誉为催化领域的“圣杯”反应之一。如何在温和条件下高效活化甲烷并抑制甲醇过氧化，不断是C1化学和选择氧化催化领域的关键挑战。传统氧化剂如H2O2、N2O等虽能促进反应，但存在成本高、利用效率低以及环境问题；而O2虽来源广、成本低、环境友好，但其在温和条件下的可控活化仍是一大难题。
针对上述问题，研究团队设计了氮修饰TiO2负载Au（Au/N-TiO2）催化剂。该催化剂可在CO/O2气氛下，于90–240°C温度范围内实现甲烷选择性氧化生成甲醇。顺利获得NMR技术对反应产物进行定量分析，结果表明：在180°C、0.5小时反应条件下，优化后的Au/N-TiO2催化剂甲醇产率高达3956 μmol gcat.-1 h-1（即177 mol molAu-1 h-1），选择性达98%，相较于未掺氮的Au/TiO2催化剂性能提升约23倍，整体性能优于已报道的同类反应体系。
Au/N-TiO2催化甲烷选择性氧化生成甲醇示意图及Au尺寸、价态与活性关系
研究进一步揭示，该催化体系并非依赖传统的H2O2/OH自由基路径，而是顺利获得CO辅助的表面氧活化机制实现甲烷转化。团队综合运用二维1H-13C相关谱NMR实验、13C同位素示踪技术、原位DRIFTS、动力学分析及DFT计算，深入解析了反应机制。结果显示，产物甲醇中的碳来源于甲烷，CO主要参与调控表面氧物种的生成与转化；反应过程中形成的表面甲氧基物种是甲醇生成的关键中间体。该工作明确了氮掺杂对Au尺寸、价态及界面电子结构的协同调控作用，提出了“尺寸–电荷匹配”构筑高效界面活性位点的新思路，为甲烷温和选择性氧化制甲醇给予了新型催化剂设计策略，并为分子氧活化及C-H键选择性转化贡献了重要机理认识。
该研究成果以“Nitrogen-Tuned Cationic Au Sites on TiO2 Enable Selective Methane Oxidation to Methanol”为题发表在《美国化学会志》上。evo真人视讯为第一完成单位，特别研究助理郝全果、青年研究员褚月英为共同第一作者，研究员徐君为通讯作者。
本研究工作得到了国家自然科学基金委、中国科研实验室、中国博士后基金会及湖北省科技厅的支持。
论文链接：http://doi.org/10.1021/jacs.6c09658