近日，能源材料化学协同创新中心（iChEM）邓德会研究员团队在甲烷室温催化转化的研究中取得新突破。相关研究成果以“Direct conversion of methane with O2 at room temperature over edge-rich MoS2”为题发表在《自然-催化》（DOI：10.1038/s41929-023-01030-2）。
甲烷直接催化转化制高附加值化学品是世界性难题，被誉为化学领域的“圣杯”。这主要是由于甲烷的低极化率和高C-H键能（439 kJ mol-1），使其转化通常需要借助高温（>600 oC）、强氧化剂（如发烟硫酸）或外场（如等离子体）等苛刻反应条件，但这又极易导致目标产物发生过度转化（如生成CO2等），高转化率与高选择性难以兼得。利用廉价、绿色的氧气在较低温度甚至室温下直接定向转化甲烷是一个理想反应。然而，氧气分子极难在温和条件下持续形成可活化甲烷C-H键的活性氧物种，导致室温下甲烷与氧气直接催化转化极具挑战性。
邓德会团队长期聚焦二维催化材料的表界面调控与甲烷等能源小分子的催化转化研究（Nat. Catal.，2021；Chem Catal.，2022；Nano Energy，2021；Angew. Chem. Int. Ed.，2020；Chem，2018；Nat. Commun.，2017；Energy Environ. Sci.，2015）。本工作在此基础上，通过模拟自然界中甲烷单加氧酶的双核金属中心，构筑了MoS2边硫空位限域的配位不饱和双Mo位点，实现甲烷与氧气室温直接催化转化制C1含氧产物。相比于之前报道的化学循环反应体系中复杂的氧气/甲烷分步变温活化和甲烷低转化率（<1%），该催化体系可在25 °C下实现甲烷与氧气一步直接转化为甲醇等C1含氧产物；甲烷的最高转化率可达4.2%，同时C1含氧产物的选择性大于99%，有效抑制CO2的生成。结合时间分辨原位表征与理论计算研究发现，MoS2边硫空位限域的配位不饱和双Mo位点可在室温下直接解离氧气分子形成高活性O=Mo=O*物种；该物种能够高效活化甲烷C-H键，进而将甲烷经由甲氧基中间体转化为C1含氧产物。该研究为开发甲烷与氧气室温催化转化过程提供了新思路。
该工作是在邓德会研究员、于良副研究员和崔晓菊副研究员共同指导下完成的。邓德会研究员和于良副研究员为该文章共同通讯作者。biwn必赢博士研究生毛军、大连化物所博士后刘欢以及崔晓菊副研究员为该工作共同第一作者。biwn必赢陈明树教授和郑艳萍工程师协助完成X射线光电子能谱测试。上述工作得到了国家重点研发计划（2022YFA1504500）、国家自然科学基金（21988101, 21890753, 22225204, 92145301, 22272174）以及中央高校基本科研专项基金（20720220008）等项目的支持。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41929-023-01030-2
