【DFT+实验】TiO₂纳米纤维负载的铜纳米颗粒催化剂在温和条件下高效转化甲烷为C1含氧化合物

甲烷储量巨大，广泛存在于天然气、页岩气和可燃冰等矿产资源中。甲烷被视为未来能源和化工生产中有前途的原料。在工业上通过间接途径转化为碳氢化合物，例如甲烷的氧化偶联和直接脱氢过程。这些过程通常需要高温条件，并具有较高能耗。因此，在相对温和的条件下将甲烷直接转化为高附加值化学品成为了化学、能源和环境领域关注的核心课题，然而由于甲烷C-H键固有惰性，这仍然面临着巨大挑战。

本文报道了利用光沉积法将铜纳米颗粒负载在静电纺丝合成的金红石与锐钛矿混相的纳米纤维催化剂，可以在温和条件下催化甲烷高效转化为C1含氧化合物。

在80℃条件下，1% Cu/TiO₂-A+R催化甲烷氧化到C1含氧化合物的产率为2510.7 mmol·g_Cu^-1·h^-1，选择性为100%。这超过了目前已报导的绝大多数相同条件下的甲烷转化催化剂。结合原位光谱表征和DFT理论计算，研究发现TiO₂在锐钛矿与金红石混合相中显著提高了负载铜物种的Cu⁺/Cu⁰的比值，且该比值与含氧种的生成速率呈线性关系。Cu_Ⅰ位点促进H₂O₂在Cu₂O(111)上解离产生活性氧物种。这些活性氧降低了断裂CH₄的C-H键的能垒，从而提高了催化活性。

赵震，1964年3月出生，黑龙江省尚志市人，国家级人才，沈阳师范大学特聘教授、中国石油大学（北京）教授、博士生导师；沈阳师范大学化学化工学院院长，能源与环境催化研究所所长。中国科协“一带一路”国际联合能源与环境催化研究中心主任；辽宁省高校重大科技平台“能源与环境催化工程技术研究中心”主任；“油气资源高效转化与洁净利用”辽宁省协同创新中心、辽宁省重点实验室及辽宁省工程技术中心主任；辽宁省高校黄大年式教师团队负责人；“能源与环境催化”辽宁省创新团队带头人；国家一流本科专业化学专业建设点负责人；化学工程与技术一级学科负责人；沈阳师范大学校学术委员会副主任。

现兼任中国稀土学会催化专业委员会副主任、中国稀土学会常务理事、中国能源学会副会长和能源与环境专业委员会主任、中国化学会催化专业委员会等多个专委会委员；现（曾）任Journal of Chemical Physics Impact，Journal of Chemistry，Journal of Rare Earths，Chinese Journal of Catalysis，Petroleum Science，《科学通报》《工业催化》《中国稀土学报》《石油科学通报》《无机盐工业》等十多个杂志的编委或副主编。

入选国际VEBLEO学会组织Fellow、教育部“长江学者奖励计划”特聘教授、“新世纪百千万人才”国家级人选、“国务院政府特殊津贴”专家、辽宁杰出科技工作者、辽宁省高校攀登学者、辽宁省学术头雁、辽宁省优秀科技工作者、沈阳市杰出人才等荣誉和称号。

主要从事能源与环境催化、稀土催化、催化新材料等方面的研发工作。作为负责人承担了科技部重点研发计划项目、863主题（专题）项目课题、国家自然科学基金重大研究计划集成、重点和培育项目、国家自然科学基金重点项目、联合基金重点项目、面上项目、国际合作项目等国家级项目（课题）16项；承担省、部、市、局级项目30余项；同时作为子课题（任务）负责人或研究骨干参加科技部973项目3项，重点研发计划项目1项。在化学化工（催化）领域国内外知名的学术期刊上发表催化相关论文500余篇。发表文章被引用18000多次，H因子71（Scopus）。2015—2022年连续8年入选爱思唯尔公司公布的中国高被引学者榜单（化学工程与技术）。申请发明专利90余项，其中62项已获授权。在国内外催化相关会议上作大会特邀报告、Keynote及邀请报告90多次。作为组委会主席承（主）办了5次全国性学术会议和1次国际学术会议，参与承办或主持了多个与催化相关的国际、国内学术会议。

2017年获中国石油和化学工业联合会技术发明奖二等奖；2018年获“Rare Earth Resource Utilization Science & Technology Award”；2019年获国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）新材料及其合成杰出贡献奖；2020年获中国稀土科学技术奖一等奖、中国化工学会基础研究成果一等奖和辽宁省高校教学成果一等奖；2021年获侯德榜化工科技奖创新奖、中国分析测试协会科学技术奖一等奖和北京市自然科学二等奖；2022年获辽宁省高校教学成果二等奖及辽宁省研究生教学成果奖特等奖。已（联合）培养博士后和博士40多名，培养硕士110多名。其中，1人入选教育部长江学者，1人入选中组部青年拔尖人才，1人入选全国优秀博士论文提名奖，2人入选北京市优秀博士论文，5人入选校级优秀博士论文。

近年来赵震教授研究团队始终围绕“能源与环境催化”领域的国家战略需求，积极开展有组织的科研攻关工作，努力解决大气PM2.5污染超标和低碳烷烃低温直接转化效率低的难题和关键技术，在燃油发动机尾气催化净化和甲烷、乙烷和丙烷等低碳烷烃的活化与选择转化方面连续取得新进展，相继获得科技部重点研发计划项目、国家自然基金重大研究计划培育、重点和集成项目等国家重大重点项目，又先后在PNAS、AngewandteChemie International Edition、Applied Catalysis B、ACS Catalysis、Chemical Engineering Journal、Journal of Catalysis等催化Top期刊上发表系列高水平论文。

Li W, Ren Y, Xie Z, et al. TiO₂ nanofiber-supported copper nanoparticle catalysts for highly efficient methane conversion to C1 oxygenates under mild conditions. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6356-9.