Schematiskt diagram över reaktionsvägen för metanoxidation över Au1/BP nanoark. Kredit:LUO Laihao
Framsteg inom hydraulisk sprickteknik har möjliggjort upptäckt av stora reserver av naturgas som främst innehåller metan, och som huvudsakligen bränns direkt, potentiellt orsaka global uppvärmning. Att uppgradera metan till grönare energi som metanol genom aerob oxidation är ett idealiskt sätt att lösa problemet.
Ändå ligger svårigheterna i att aktivera metan och förhindra att metanol överoxideras. Metan tar en stabil opolär tetraedrisk struktur med hög dissociationsenergi för CH-bindningen, som kräver hög energi för att aktiveras. Samtidigt kan metanol lätt överoxideras till koldioxid under processen. Aktiveringen och riktningsomvandlingen av metan betraktas som katalysens "heliga graal".
Ett nyligen publicerat verk i Naturkommunikation av ett forskarlag ledd av prof. Zeng Jie och LI Weixue från Hefei National Laboratory for Physical Sciences at the Microscale markerar nya framsteg. De designade och tillverkade Au-enkla atomer på svart fosfor (Au 1 /BP) nanoark för metanselektiv oxidation till metanol under milda förhållanden med> 99 % selektivitet.
Au 1 /BP nanosheets kunde katalysera metanoxidationsreaktion med syre som oxidant under bestrålningsförhållanden. Baserat på mekanistiska studier, vatten och O 2 aktiverades på Au 1 /BP nanosheets för att bilda reaktiva hydroxylgrupper och OH-radikaler under ljus bestrålning. De reaktiva hydroxylgrupperna möjliggjorde mild oxidation av metan till CH 3 arter, följt av oxidation av CH 3 via OH-radikaler till metanol.
Eftersom vatten förbrukas för att bilda hydroxylgrupper och produceras genom reaktion av hydroxylgrupper med metan, vatten här återvinns helt och kan därför också betraktas som en katalysator.
Denna studie ger insikt i aktiveringsmekanismen för syre och metan i metanselektiv oxidation, och ger en ny förståelse för vattnets roll i reaktionsprocessen.
