Die direkte Umwandlung von Methan (CH4) in Chemikalien mit hoher Wertschöpfung bei Raumtemperatur unter direkter Nutzung von reichlich vorhandenem und kostengünstigem molekularem Sauerstoff (O2) als Oxidationsmittel ist ein idealer Weg für die CH4-Nutzung. Aufgrund der chemischen Inertheit von Methan und der geringen Aktivität von O2 bleibt dies jedoch eine Herausforderung.
Kürzlich hat eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Deng Dehui und Assoc. Prof. Yu Liang vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) realisierte die direkte CH4-Umwandlung in C1-Oxygenate (CH3OH, HOCH2OH und HCOOH) mit O2 bei Raumtemperatur (25℃) über einen Randbereich. reichhaltiger MoS2-Katalysator. Die Studie wurde veröffentlicht in Naturkatalyse am 21. September.
Die katalytische Umwandlung von Methan in Chemikalien mit hoher Wertschöpfung ist aufgrund der geringen Polarisationsrate und der hohen CH-Bindungsenergie (439 kJ mol-1) von Methan ein schwieriges Problem.
Die typische katalytische Umwandlung von CH4 erfolgt normalerweise bei hohen Temperaturen (über 600 °C) oder mit Hilfe starker Oxidationsmittel (z. B. rauchender Schwefelsäure) oder externer Felder (z. B. Plasma). Dennoch führt eine solch harte Reaktion leicht zu einer übermäßigen Umwandlung des Zielprodukts, beispielsweise einer Überoxidation zu CO2.
Die direkte Umwandlung von CH4 und O2 bei niedrigen Temperaturen oder sogar bei Raumtemperatur ist eine attraktive Strategie für die CH4-Umwandlung. Dies stellt jedoch eine Herausforderung dar, da die kontinuierliche Bildung aktiver Sauerstoffspezies unter milden Bedingungen für die CH-Aktivierung schwierig ist.
In-situ-Charakterisierungen und theoretische Berechnungen zeigten, dass die einzigartige zweikernige Molybdänstelle (bi-Mo) mit Schwefelfehlstellen am MoS2-Rand O2 direkt dissoziieren konnte, um bei 25 °C aktive O=Mo=O*-Spezies zu bilden, die das aktivieren könnten CH-Bindung von CH4 und treibt dadurch die katalytische Umwandlung von CH4 zu C1-Oxygenaten über CH3O*-Zwischenprodukte bei Raumtemperatur voran.
In dieser Studie erreichten die Forscher eine CH4-Umwandlung von bis zu 4,2 % mit einer hohen Selektivität von über 99 % für die C1-Oxygenate für die CH4-Umwandlung mit O2 bei Raumtemperatur.
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Jun Mao et al., Direkte Umwandlung von Methan mit O2 bei Raumtemperatur über kantenreiches MoS2, Naturkatalyse (2023). DOI: 10.1038/s41929-023-01030-2