团队通过CO分子修饰调节单原子催化剂的电子态以实现高效的甲烷转化

甲烷直接转化具有能耗低、工序少、经济性好等优点。然而，由于甲烷的CH键解离能较高，在室温下很难活化甲烷。此外，目标产物，例如甲醇、乙酸和其他含氧化合物，容易发生过度氧化，导致CO2的产生。因此，设计具有高活性和选择性的催化剂非常重要。

张涛教授、王晓东教授和副教授领导的研究小组在《应用化学国际版》上发表了一项研究。中国科学院大连化学物理研究所黄传德研究员与西安交通大学常春然教授团队合作，实现了单原子高效直接转化甲烷室温下催化。

研究人员提出了一种通过CO分子修饰来调节单原子催化剂M1-ZSM-5(M=Rh、Ru、Fe)的电子结构的策略，从而提高了甲烷直接转化的效率。他们实现了在室温(25℃)下以H2O2作为氧化剂催化甲烷转化。Pd1-ZSM-5的周转频率(TOF)达到207h-1，对含氧化合物的选择性接近100%。

结合实验表征和密度泛函理论(DFT)计算，研究人员发现CO分子中的C原子倾向于与Pd1单原子配位，将电子从CO转移到活性氧中心L-Pd1-O(L=CO)，导致甲烷CH键的解离势垒从1.27eV降低到0.48eV。

此外，该策略表现出良好的普适性，通过CO分子修饰，M1-ZSM-5(M=Rh、Ru、Fe)系列催化剂的TOF可提高3.2至11.3倍。

王教授说：“我们开发了电子可调分子筛支持的M1-O隔离活性中心，为在温和条件下实现选择性甲烷转化为化学品提供了一种新方法。”