중국과학기술대학교 허페이(合肥)마이크로스케일물질과학국가연구센터와 화학물리학부 Zeng Jie(曾傑) 교수, Li Weixue(李微雪) 교수 연구팀은 흑린 부하의 금 단원자 촉매 Au1/BP를 설계 구축하고, 온화한 조건에서 메탄의 고선택적 산화를 통한 메탄올 제조를 달성했다. 해당 연구 성과는 국제학술지 “Nature Communications”에 게재되었다.

주로 메탄으로 구성된 천연가스와 셰일가스 자원은 매장량이 상당하여 21세기에 가장 유망한 대체에너지 및 화학원료이다. 고품질의 청정 탄화수소 자원인 메탄은 매장량이 어마어마하지만, 현재 단계에서 주로 저가 연료로 직접 사용되어 막대한 자원 낭비 뿐만 아니라 엄청난 환경 스트레스를 초래한다. 따라서 메탄 전환 기술의 개발은 저탄소 알칸의 효율적이고 청정한 이용 및 전환을 달성하는 실용적인 방법이며 아울어, 화학산업의 석유 자원에 대한 단일 의존성을 해결할 수 있다. 산소를 산화제로 사용하여 메탄을 메탄올로 선택적으로 산화시키는 것은 친환경적이고 “원자 경제성”도 보유한다. 그러나, 메탄 분자는 사면체 대칭성이 높고, 탄소-수소 결합이 활성화되기 어렵다. 아울러, 메탄의 부분산화 생성물은 쉽게 이산화탄소로 과산화되는 문제가 존재한다. 따라서 메탄의 활성화 및 정향 전환 달성은 촉매 및 화학 분야에서 중요한 의미가 있다.

광 조사 조건에서 산소를 산화제로 사용할 경우, Au1/BP 촉매제는 수용액에서 메탄의 부분산화를 촉매하여 메탄올을 생성할 수 있으며 메탄올의 선택도는 99% 이상이다. 추가 메커니즘 연구에 따르면, 광 조사 조건에서 생성된 메탄올 중의 산소는 물또는 산소에서 올 수 있다. 연구팀은 이론적 계산을 통해 반응의 선택성을 연구했다. 연구 결과, Au1/BP 촉매제 표면에서 메탄의 첫번째 탈수소의 CH3* 생성은 아주 쉬운 방열 반응이지만, CH3*의 지속적인 탈수소는 흡열 반응이다. 따라서, Au1/BP 촉매는 CH3*를 안정화하고 과도한 탈수소화를 억제할 수 있다. 또한 메탄올이 추가로 산화된 에너지 장벽은 메탄 활성화 및 메탄올 탈착의 표관 활성화 에너지보다 훨씬 높고, 메탄산화에 의해 생성된 메탄올은 쉽게 촉매제 표면에서 용액으로 탈착되며 과산화되지 않는다.

해당 연구 성과는 메탄의 선택적 산화 과정에서 산소와 메탄의 활성화 메커니즘을 심층 규명하고, 반응 과정에서의 물의 역할에 새롭게 확인하였으며, 메탄의 고선택적 전환 촉매제의 설계를 위한 새로운 아이디어를 제공하였다.

정보출처 : http://news.sciencenet.cn/htmlnews/2021/2/453515.shtm