近日，我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副研究员等在甲烷室温电催化转化的研究中取得新进展，实现了由高压-电芬顿驱动的甲烷与氧气室温高效催化转化制甲酸新过程。
甲烷与氧气直接催化转化制高附加值含氧化学品是天然气资源高值化利用的有效途径。然而，在温和条件下活化氧气分子形成能够解离甲烷C-H键的高活性氧物种非常困难，导致低温下甲烷与氧气高效转化极具挑战。
邓德会团队长期致力于温和条件下甲烷的催化转化研究，前期在甲烷低温催化转化制含氧化学品的研究中取得了系列进展（Nat. Catal.，2023；Chem，2018；Chem，2019；Chem，2020；Nano Energy，2021；Chem Catal.，2022）。在此基础上，该团队基于自主研制的高压-电化学反应釜，开发了由高压-电芬顿驱动的甲烷与氧气催化转化新途径，在电解池的阴极区实现室温下电催化甲烷与氧气高效转化制甲酸。研究表明，氧气首先在阴极银箔上经由两电子转移路径还原生成双氧水，双氧水进一步与溶液中的Fe2+通过均相芬顿反应，生成高活性的氧物种羟基自由基，羟基自由基连续活化C-H键并将甲烷转化成甲酸。进一步，团队发现提高氧气的分压可促进双氧水的生成，而提高甲烷的分压可以有效增强溶液中甲烷和羟基自由基之间的碰撞几率，进而提高产物甲酸的收率和法拉第效率。相比于传统的甲烷电催化转化高的过电位（＞0.9V）和低的法拉第效率（＜60%），该高压-电芬顿体系在0.38V的低过电位下实现了高达81.4%的甲酸法拉第效率，甲酸时空收率可达到11.5 mmol h-1 gFe-1，该过程为低温下甲烷与氧气的高效催化转化提供了新思路。
相关研究成果以“High-pressure electro-Fenton driving CH4 conversion by O2 at room temperature”为题，于近日发表在《美国化学会杂志》（Journal of the American Chemical Society）上，并被选为封面文章（Supplementary Cover）。上述工作得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、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 宋垚、崔晓菊）
文章链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c10825
