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PNAS：沈阳师范大学赵震教授研究团队在甲烷低温液相选择催化氧化研究方面取得重要进展
来源：沈阳师范大学 2023-03-03
导读：近日，沈阳师范大学赵震教授研究团队在甲烷低温液相选择催化氧化研究方面取得重要进展，在世界公认的综合性科学顶级期刊《美国科学院院刊》（PNAS））发表题为“Efficient catalysts of surface hydrophobic Cu-BTC with coordinatively unsaturated Cu(I) sites for the direct oxidation of methane” （用于甲烷直接氧化的具有配位不饱和Cu(I)位点的表面疏水性Cu-BTC的高效催化剂）的学术论文。到目前，沈阳师范大学教师已先后在世界四大综合性顶尖学术期刊（Nature，Science，Cell，PNAS）中的三大顶级期刊上发表论文。
该学术论文第一作者为沈阳师范大学与中国石油大学（北京）联合培养的博士研究生李文翠和李志，通讯作者为沈阳师范大学赵震教授和张航副教授。论文主要依托我校中国科协“一带一路”国际联合能源与环境催化研究中心和辽宁省高校重大科技平台“能源与环境催化工程技术研究中心”完成，得到了国家自然科学基金重大研究计划重点支持项目、国家自然科学基金重大研究计划集成项目和国家自然科学基金青年科学基金的资助。甲烷的C-H键活化是天然气、页岩气和煤层气直接转化为液体燃料的关键，建立低温甲烷选择性氧化催化路线是催化科学和技术面临的重大挑战之一。金属有机框架（MOFs）材料不仅能构筑结构均一的高分散金属离子催化剂，而且是一类优良的仿生酶催化剂材料，采用疏水改性MOFs材料作为液相反应中的甲烷选择氧化催化剂，不仅克服了MOFs材料普遍不耐水的缺点，同时可以生成配位不饱和双核铜活性位点。疏水性配位不饱和MOFs催化剂液相催化甲烷氧化示意图赵震教授研究团队探究了表面疏水性Cu-BTC催化剂用于高效液相催化甲烷选择性氧化性能。采用溶剂热法成功合成了含有双核铜活性位点的金属有机框架催化剂（Cu-BTC）。并利用气相沉积法在235°C真空条件下，通过疏水性聚二甲基硅氧烷(PDMS)对Cu-BTC表面进行疏水化改性（Cu-BTC-P-235），生成具有混合价Cu(I)/Cu(II)的Cu配位不饱和金属位点（CUS），以模拟甲烷单加氧酶(MMO)的结构；作为对比，还制备了不同真空温度疏水改性的催化剂（Cu-BTC-P-200）。疏水改性后的Cu-BTC-P-235不仅可以显着提高其在液相中的催化循环稳定性，还可以生成配位不饱和的Cu(I)位点，从而显著提高催化活性。光谱表征和理论计算结果证明，配位不饱和的Cu(I)位点先使H2O2解离成•OH，再与配位不饱和的Cu(I)位点结合形成Cu(II)-O活性物种，激活甲烷的C−H键。Cu-BTC-P-235催化剂上实现了10.67 mmol gcat.−1h−1的C1含氧化合物(CH3OH, CH3OOH)的高产率，对C1含氧化合物的选择性高达99.6%，并且催化剂具有优异的可重复使用性。该研究开发了一种温和条件下（50 °C）在Cu(II)-O活性位点上高效催化甲烷转化的新途径。原文链接：https://www.pnas.org/doi/10.1073/pnas.2206619120。近年来赵震教授研究团队始终围绕“能源与环境催化”领域的国家战略需求，积极开展有组织的科研攻关工作，努力解决大气PM2.5污染超标和低碳烷烃低温直接转化效率低的难题和关键技术，在燃油发动机尾气催化净化和甲烷、乙烷和丙烷等低碳烷烃的活化与选择转化方面连续取得新进展，相继获得科技部重点研发计划项目、国家自然基金重大研究计划培育、重点和集成项目等国家重大重点项目，又先后在PNAS、Angewandte Chemie International Edition、Applied Catalysis B、ACS Catalysis、Chemical Engineering Journal、Journal of Catalysis 等催化Top期刊上发表系列高水平论文。
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