地球上有丰富的天然气，因此，利用甲烷（CH₄）和氧气（O₂）的混合物在中低温下实现甲烷到甲醇的直接转化具有重要意义。

近日，纽约州立大学石溪分校Ping Liu，José A. Rodriguez，布鲁克海文国家实验室Sanjaya D. Senanayake报道了开发了一种ZnO/Cu₂O/Cu(111)高效催化剂，然后采用反应器测试、扫描隧道显微镜、常压X射线光电子能谱、密度泛函计算和动力学Monte Carlo模拟相结合的方法对其进行了研究。

文章要点

1）该催化剂能够在室温下活化CH₄，并在450 K时将CH₄和O₂的混合物转化为甲醇，选择性为30%。这一性能无法在其他多相催化剂上实现，这些催化剂通常需要加水才能将CH₄显著转化为CH₃OH。

2）研究发现，负载在Cu₂O/Cu(111)衬底上的ZnO岛独特的粗糙结构提供了多个位点的集合，这些位点在反应过程中显示出不同的催化活性。在CH₄和O₂中，ZnO−Cu₂O台阶位点由于有效的O−O键解离而成为甲醇合成的活性位点，从而能够以合理的选择性将甲烷转化为甲醇。

3）进一步加水后，Zn空位引入的富氧缺陷ZnO中心对CH₄转化表现出优异的催化性能，使得CH₃OH选择性提高到80%以上。因此，在这种情况下，CH₄→CH₃OH直接转化所涉及的表面位点不同于那些在没有水的情况下生成CH₃OH的表面位点。

这项研究通过揭示ZnO/Cu2O/Cu(111)上的位点相关行为，为指导高效的甲烷重整反应提供了一种高甲醇选择性的设计策略。

参考文献

Erwei Huang, et al, Selective Methane Oxidation to Methanol on ZnO/Cu₂O/Cu(111) Catalysts: Multiple Site-Dependent Behaviors, J. Am. Chem. Soc., 2021

DOI: 10.1021/jacs.1c08063

https://doi.org/10.1021/jacs.1c08063