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儀表網 研發快訊】近日，中國科學技術大學教授曾杰團隊在低溫甲烷氧化制乙酸研究方面取得進展。該研究報道了分子篩負載的金-鐵雙金屬催化劑。這一催化劑在水中以氧氣為氧化劑，并在一氧化碳存在下將甲烷氧化為乙酸。具體而言，金納米粒子催化一氧化碳，氧氣和水生成活性羥基物種，而原子級分散的鐵物種促進羥基介導的甲烷氧化和碳-碳偶聯過程，從而生成乙酸。在120℃反應3小時的條件下，分子篩負載的金-鐵雙金屬催化劑實現了5.7毫摩爾每克的乙酸收率，液相產物中乙酸選擇性達到92%。同時，該催化劑在60℃依然表現出活性。因此，羥基介導的策略在乙烷氧化制丙酸和丙烷氧化制丁酸中具有應用前景。
由于甲烷的化學惰性和氧氣的低活性，在低溫下以氧氣氧化甲烷制乙酸面臨挑戰。該研究在甲烷和氧氣體系內引入一氧化碳為乙酸合成提供了新路線。在該反應中，一氧化碳作為還原劑、配體和反應物的作用已被認識。然而，這些催化劑通常需在150℃左右實現甲烷氧化制乙酸，在較低溫度時幾乎沒有乙酸生成。目前，在低溫下將甲烷氧化為乙酸通常依賴于強氧化劑的使用，如過氧化氫或過硫酸鉀與三氟乙酸的混合物。因此，探討一氧化碳及溶劑水的其他作用以實現低溫下氧氣氧化甲烷制乙酸具有重要意義。
分子篩負載的金-鐵雙金屬催化劑在60℃至120℃下實現了甲烷氧化制乙酸，且該催化劑能夠被多次循環使用。同位素標記實驗、捕獲實驗、分段實驗、順磁共振、高分辨質譜和原位漫反射紅外結果表明，一氧化碳在水存在下輔助氧氣活化為活性羥基物種。同時，隨即生成的活性羥基物種介導甲烷氧化并與一氧化碳發生碳-碳偶聯生成乙酸。
該研究為低溫下將甲烷氧化為乙酸提供了高效催化劑，并深化了科學家對氧化劑作用的認知。相關研究成果以Highly Selective Synthesis of Acetic Acid from Hydroxyl‐Mediated Oxidation of Methane at Low Temperatures為題，發表在《德國應用化學》上。研究工作得到科學技術部、國家自然科學基金委員會、中國科學院等的支持。
低溫甲烷氧化制乙酸的反應性能
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