常温常压下接触电催化实现甲烷的直接氧化

近日，我院田中群院士团队范凤茹教授与山东大学邓伟侨教授合作在接触电催化甲烷直接氧化方面取得重要进展。相关成果以“Contact-Electro-Catalysis for Direct Oxidation of Methane under Ambient Conditions”为题，发表于Angew. Chem. Int. Ed.（DOI: 10.1002/anie.202403114）。

甲烷中C-H键具有较高的解离能（439 kJmol^-1），这导致其转化需要在苛刻条件下进行，包括高温高压、强氧化剂或外加能场等。然而，一个理想的转化途径是在较低温度，甚至室温下，通过氧气对CH₄进行部分氧化，以制备有价值的初级化学品。近年来，利用电场有效控制和加速化学反应过程的技术引起了广泛关注。特别是接触电催化（CEC）技术，通过接触起电产生的电场可以促进电子转移，进而激发化学反应，这为解决能源和环境问题提供了新方法。

鉴于此，本工作提出了一种基于接触电催化效应的方法，实现了常温常压下，甲烷的高效活化与氧化。研究团队利用超声波作用，使商用的氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）与水不断接触-分离并带电，从而使FEP表面从水中捕获电子并用于激活氧气，生成自由基实现甲烷的转化。该方法能够高效率生成甲醛（HCHO）和甲醇（CH₃OH），产量分别高达467.5和151.2 μmol·gcat^-1。进一步的表征和理论计算表明，在超声波的促进下，H₂O分子在局部高压环境下与FEP接触，激发出•OH和•OOH这类活性氧物种。此类活性自由基与CH₄反应使其转化为CH₃OH和HCHO。

本工作是在田中群院士、范凤茹教授和邓伟侨教授的共同指导下完成。我院2023级博士生李伟新和山东大学博士生孙吉凯为论文共同第一作者, 2021级本科生王明达为论文共同作者。我院王帅教授课题组对该项研究给予了重要支持和帮助。该工作得到了国家自然科学基金（22222305、22021001）、beat365官方网站校长基金（20720220013）和固体表面物理化学国家重点实验室的支持。

论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202403114