Angew. Chem. ：在常温常压下，通过接触电催化实现甲烷的直接氧化

在能源和环境科学领域，甲烷的高效转化长久以来都是一个备受瞩目的课题。特别是在常温常压条件下，如何实现甲烷的高效转化，一直是科研工作者面临的巨大挑战。尽管通过光化学和电化学手段在甲烷活化方面取得了一定进展，但仍旧面临复杂的催化剂设计、高昂的氧化剂成本，以及产物过度氧化等问题。

最新研究成果来自于厦门大学的范凤茹教授和山东大学的邓伟侨教授的合作，他们提出了一种全新的方法，在常温常压条件下，高效地活化并氧化甲烷。通过在超声波作用下，让商业化的氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）与水直接接触并带电，从而从水中捕获电子以激活氧气，进而实现甲烷的有效转化。令人瞩目的是，该方法能够以高效率生成甲醛（HCHO）和甲醇（CH₃OH），产量分别高达467.5和151.2 μmol·gcat^-1。

通过精密的实验手段，包括电子顺磁共振（EPR）和同位素质谱（MS）分析，研究团队揭示了产物形成过程中羟基自由基（•OH）和超氧自由基（•OOH）的关键作用，并进一步解析了CH₃OH的来源。结合同位素实验、顺磁共振以及原位红外等技术和理论计算，研究者提出了一种全面的反应机制。在超声波的促进下，H₂O分子在高压微喷流的帮助下迅速与FEP接触，激发出•OH和•OOH这类活性氧物种，从而高效地促进甲烷向CH₃OH和HCHO的转化。

理论计算进一步证实了H₂O分子与FEP接触后的电子转移过程，以及活性氧物种的形成机制。H₂O分子与FEP接触后，H₂O失去一个电子并迅速与附近的H₂O分子结合生成•OH和H₃O⁺。电子被吸附在FEP表面，而与带负电荷的FEP接触的O₂通过进一步质子化形成活性氧物种•OOH。•OOH与CH₄自发反应产生•CH₃O和H₂O，然后与H₂O结合形成CH₃OH或与•OH结合形成CH₃OOH。另一条途径是CH₄与•OH结合形成•CH₃，然后与•OOH反应形成CH₃OOH。由于CH₃OOH具有还原性，它可能进一步还原形成CH₃OH和H₂O₂。

该研究不仅展示了该方法在气相催化反应中的广泛适用性，也在常温下的高效性和适用性方面在催化学科内实现了重大突破。综上所述，这项研究开辟了甲烷转化技术的新前景，对未来的能源和环境应用有着重要意义。

论文信息

Contact-Electro-Catalysis for Direct Oxidation of Methane under Ambient Conditions

Weixin Li, Jikai Sun, Mingda Wang, Jiajia Xu, Yanjie Wang, Li Yang, Ran Yan, Haoxian He, Prof. Shuai Wang, Prof. Wei-Qiao Deng, Prof. Zhong-Qun Tian, Prof. Feng Ru Fan

文章的共同第一作者是厦门大学的博士生李伟新和山东大学的博士生孙吉凯

Angewandte Chemie International Edition

DOI: 10.1002/anie.202403114