近日，我所能源催化转化全国重点实验室能源与环境小分子催化研究中心（509组群）邓德会研究员、崔晓菊副研究员和于良研究员团队在甲烷低温催化转化的研究中取得新进展。团队通过构筑二维MoS2晶格限域的Rh-Fe双原子位点催化剂，实现了甲烷、一氧化碳和氧气在低温甚至室温下直接定向偶联制乙酸。
甲烷、一氧化碳和氧气直接偶联转化制备乙酸是天然气资源转化制高附加值多碳化学品的一种重要途径。虽该然反应体系在低温条件下具有显著的热力学优势，但受限于甲烷C-H键活化能垒高、氧气分子解离难、C-C键偶联可控性差等关键科学问题，实现甲烷通过C-C键偶联低温高效定向制乙酸仍面临挑战。
邓德会团队长期致力于温和条件下甲烷的催化转化研究（Nat. Commun.，2025；J. Am. Chem. Soc.，2024；Nat. Catal.，2023；Chem Catal.，2022；Nano Energy，2021；Chem，2019；Chem，2018）。团队前期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，实现了甲烷与氧气室温直接催化转化制C1含氧产物（Nat. Catal.，2023）。在此基础上，团队通过原子级精准调控策略，成功构筑了MoS2晶格限域的Rh-Fe双原子位点催化剂，实现了甲烷、一氧化碳和氧气在低温甚至室温条件下的定向偶联制乙酸。该催化体系突破了传统工艺对高温条件的依赖，在25 oC的温和条件下实现了甲烷、一氧化碳和氧气的一步直接转化，乙酸的时空收率达到26.2 μmol gcat.-1 h-1，选择性高达90.3%，这一性能指标优于已报道的同类催化体系。结合原位表征与理论计算研究发现，MoS2限域的Fe位点首先活化O2生成高活性的Fe=O*物种，该物种在室温下解离CH4生成CH3*物种，生成的CH3*物种与吸附在相邻Rh位点上的CO进行偶联，形成关键的CH3CO*中间体，进而高选择性地生成乙酸。MoS2限域Rh-Fe双原子位点既促进了氧气的活化、C-H键的解离，又协同实现了C-C键的偶联，从而实现了在低温甚至室温下甲烷、一氧化碳和氧气高选择性定向偶联转化制乙酸的新反应路径。
相关研究成果以“Mild-Condition Conversion of Methane to Acetic Acid over MoS2-Confined Rh-Fe Sites”为题，于近日发表在《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）上。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金委“空气主份转化化学”基础科学中心项目、中国科学院B类先导专项“功能纳米系统的精准构筑原理与测量”等项目的支持。（文/图 毛军、刘欢）
文章链接：http://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c01515
