Methaan, als hoofdbestanddeel van schaliegas, aardgas en brandbaar ijs, is een van de meest veelbelovende energiebronnen voor de productie van hoogwaardige chemicaliën. Het is echter nog steeds een uitdaging om methaan onder milde omstandigheden te activeren vanwege de hoge symmetrie en lage polariseerbaarheid van methaanmoleculen.

Onlangs heeft een onderzoeksgroep onder leiding van Prof. Deng Dehui en Assoc. Prof. Yu Liang van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) bereikte een zeer efficiënte methaanconversie bij kamertemperatuur in vloeibare C1-oxygenaten via ultradunne tweedimensionale (2D) Ru-nanobladen met in een rooster beperkt Cu atomen.

Deze studie is gepubliceerd in Chem Catalysis op 24 augustus.

Ultradunne 2D metalen nanosheets zijn veelbelovende matrixmaterialen voor het creëren van actieve centra voor de methaanactivering door heteroatomen in het rooster op te sluiten. De nauwelijks controleerbare afstemming van de coördinatieomgeving voor de beperkte heteroatomen in de 2D-nanobladen maakt het echter een uitdaging voor de constructie van effectieve actieve plaatsen voor methaanactivering.

In deze studie ontwikkelden de onderzoekers de katalysatoren door Cu-atomen op te sluiten in ultradunne 2D metalen Ru-nanobladen via een unieke strategie van edelmetaal-geïnduceerd reductiemechanisme, dat een zeer selectieve methaanconversie naar vloeibare C1-oxygenaten onder kamertemperatuur mogelijk maakte.

Door de inhoud van de opgesloten Cu-atomen nauwkeurig aan te passen om hun coördinatieomgeving te optimaliseren, bereikten ze de productie van vloeibare C1-oxygenaten (CH₃ OOH en CH₃ OH) over de Ru₁₁ Cu-katalysator tot maximaal 1533 mmol g ^-1 Cu(surf.)h ^-1 met een selectiviteit van meer dan 99% met H₂ O₂ als het oxidatiemiddel.

Meerdere spectroscopische analyses en eerste-principeberekeningen onthulden dat bi-gecoördineerde zuurstofspecies op de brug-site gegenereerd op de Ru-rand-begrensde Cu-sites de C-H-binding van methaan gemakkelijk konden dissociëren met een matig lage energiebarrière, en zo de methaanconversie in kamer mogelijk maakten temperatuur via een mechanisme van vrije radicalen.

"Deze studie biedt een strategie voor het ontwerpen van efficiënte katalysatoren door aan de randen begrensde actieve centra in metalen nanoplaten te bouwen voor de activering van CH-bindingen in lichte alkanen", zei prof. Deng. + Verder verkennen

Onderzoekers zetten methaan met hoge efficiëntie om in mierenzuur onder milde omstandigheden