ACS Nano | 浙江大学吴忠标长江学者团队刘越课题组：双原子铁催化剂实现常压气-固相光热催化选择性氧化甲烷产甲醛

背景：甲烷是天然气的主要成分，储量丰富，将其高效转化为高附加值化学品（如甲醛）是实现“碳中和”目标的关键。传统的甲醛制备工艺存在流程复杂、能耗高、碳排放大的问题；而现有的光催化研究多集中于高压气-液-固体系，产物分离困难。相比之下，气-固相反应体系更适于规模应用，但面临产物过度氧化和催化剂失活的挑战。研究目的：浙江大学吴忠标长江学者团队刘越课题组设计了一种“类甲烷生物酶”的双原子铁催化剂（Fe2–ZnO），旨在常压气-固相光热催化条件下，实现甲烷高效、高选择性地转化为甲醛，并解决产物富集与催化剂稳定性问题。结论：实验结果表明，Fe2-ZnO催化剂在50小时连续反应中活性衰减小于10%，甲醛产率达31.8 mmol gcat⁻¹ h⁻¹，选择性为71.7%，并通过水吸收获得了高浓度甲醛溶液。DFT理论计算揭示，Fe2双原子结构降低了甲醛脱附能垒，减少了过度氧化，同时高效活化氧气并补充晶格氧，维持催化剂稳定。该研究突破了“产物难富集、催化剂易失活”的瓶颈，为甲烷的绿色利用开辟了新路线，并为双原子催化剂在可持续能源转化中的应用奠定了基础。