近日，江南大學(xué)化工學(xué)院劉小浩教授團(tuán)隊(duì)在揭示甲烷無氧催化轉(zhuǎn)化制芳烴的新的活性中心的研究中取得重要進(jìn)展，研究成果以題為“Identification of atomically dispersed Fe-oxo species as new active sites in HZSM-5 for efficient non-oxidative methane dehydroaromatization”發(fā)表在催化領(lǐng)域權(quán)威期刊《Journal of Catalysis》（J. Catal., 2021,396, 224-241）。該論文化工學(xué)院胥月兵副教授為第一作者，劉小浩教授為通訊作者。
甲烷（CH4）是一種重要的低碳（高H/C比）含碳資源，是天然氣、煤層氣、頁巖氣和可燃冰中的主要成分。然而，CH4具有強(qiáng)溫室效應(yīng)。因此，將其高效催化轉(zhuǎn)化為高附價值的化學(xué)品和環(huán)境友好的“綠色氫源”具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。CH4無氧脫氫芳構(gòu)化生成芳烴和氫氣是原子經(jīng)濟(jì)反應(yīng)，是實(shí)現(xiàn)上述過程的有效途徑。CH4作為一種高度穩(wěn)定的、最簡單的烴分子，在高溫下實(shí)現(xiàn)其分子中C-H鍵的可控活化轉(zhuǎn)化仍極具挑戰(zhàn)。一直以來，CH4無氧芳構(gòu)化反應(yīng)主要圍繞著鉬基分子篩催化劑開展研究，其他過渡金屬如鐵等作為活性組分普遍被認(rèn)為具有很低的活性和芳烴選擇性。然而，江南大學(xué)劉小浩團(tuán)隊(duì)基于對CH4分子中C-H鍵可控活化機(jī)制的認(rèn)識和理解，通過調(diào)控Fe物種在HZSM-5分子篩中的存在形式，實(shí)現(xiàn)了CH4分子的可控活化，高效轉(zhuǎn)化生成芳烴。實(shí)驗(yàn)和表征結(jié)果表明：Fe-oxo活性物種（含氧鐵物種）對實(shí)現(xiàn)C-H鍵的可控活化起關(guān)鍵作用。比較而言，金屬鐵或碳化鐵物種能使CH4分子深度脫氫，生成積碳，減少目標(biāo)產(chǎn)物芳烴的生成。有趣的是，盡管該項(xiàng)研究使用含硫的二價鐵前驅(qū)體（FeSO4）經(jīng)離子交換形成活性中心，然而殘存的硫（S）并沒有因其提升C-H鍵活化而影響目標(biāo)產(chǎn)物芳烴的生成。上述研究得到國家自然科學(xué)基金（21606108, 21576119, 21878127)、中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)重點(diǎn)項(xiàng)目（JUSRP51720B）、內(nèi)蒙古自治區(qū)關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)計(jì)劃（2019GG321）和鄂爾多斯市重大專項(xiàng)等項(xiàng)目的資助。Journal of Catalysis為物理化學(xué)和化學(xué)工程學(xué)科最為傳統(tǒng)、最具影響力的期刊之一，致力于發(fā)表催化領(lǐng)域原創(chuàng)、系統(tǒng)的研究成果，屬于中科院一區(qū)Top期刊。
▲圖1.鐵物種類型對CH4活化轉(zhuǎn)化的影響▲圖2.反應(yīng)前(a)和反應(yīng)后(b)鐵物種穆斯堡爾譜表征結(jié)果
