甲烷(CH₄)是化学工业中生产甲醇(CH₃OH)和其他高附加值产品的一种重要原料。在传统工艺中，CH₄通过合成气(H₂和CO)的形成间接转化为CH₃OH，需要在高温下进行，耗能高。因此，CH₄直接转化为CH₃OH(DMC)，在化学工业中被认为是一种“Dream reaction”，是近几十年来研究的热点。尽管催化剂和DMC技术已经取得了巨大的进步，但DMC合成氧化产物的难度仍然很大，因为在温和条件下，CH₄中C-H键的选择性活化是一个难题。因此，开发具有高活性和选择性的催化剂是非常必要的。贵金属基单原子催化剂是多相催化的热点研究领域。它们在CO氧化、CH₄转化、氧还原等多种过程中表现出优异的催化性能。近年来的研究表明，SACs可以作为烷基烯加氢的高活性、选择性催化剂，其分离的活性位点几何上有利于烷基烯的选择性加氢。有鉴于此，苏州大学黄小青教授、Yong Xu和上海交通大学邬剑波研究员等人合作设计制备了一种二氧化铈(CeO₂)纳米线负载铑(Rh)单原子催化剂(SAs Rh-CeO₂ NWs)，它可以作为在温和的条件下（H₂O₂存在下50℃）DMC形成CH₃OH和CH₃OOH的高效催化剂。

本文要点

1）与传统湿浸渍法制备的Rh/CeO₂纳米线(Rh簇)相比，CeO₂纳米线负载的Rh单原子催化剂的氧合物产率(1231.7比189.4 mmol g_Rh⁻¹ h⁻¹)高出6.5倍，表明该催化剂的催化性能大大优于同类催化剂。

2）CeO₂ NWs在∙OOH和∙OH自由基的形成中起着重要作用，能显著促进CH₄通过不同的反应途径氧化。SAs Rh-CeO₂ NWs可选择性地活化CH₄为∙CH₃，导致H₂O₂存在时氧合物的形成，使其与∙OOH、∙OH自由基结合形成CH₃OH、CH₃OOH。

本工作不仅为DMC氧化提供了一种活性高、选择性强的催化剂，而且促进了Rh单原子催化剂在多相催化中的研究。

参考文献：

Shuxing Bai et al. High-efficiency direct methane conversion to oxygenates on a cerium dioxide nanowires supported rhodium single-atom catalyst. Nat Commun 11, 954 (2020).

DOI: 10.1038/s41467-020-14742-x

https://doi.org/10.1038/s41467-020-14742-x