宋茂勇研究团队基于甲烷分子中C–H键键能高、难以活化的特性，明确指出分子筛催化剂中Brønsted酸位点在甲烷活化过程中具有不可或缺的作用。通过与原子级分散的铜、锌金属位点协同作用，团队构建了催化双功能位点协同的微环境，在温和条件下实现了甲烷向高附加值C1含氧化合物的高效、高选择性转化。相关研究成果以“Synergy between Brønsted Acid Sites and Cu/Zn Single-Atom Sites in Zeolite for the Direct Oxidation of Methane”为题，发表于《Journal of the American Chemical Society》（DOI: 10.1021/jacs.5c23094）。
甲烷是天然气、页岩气与可燃冰的主要成分，资源储量丰富。若能将其直接转化为易于储存与运输的液体燃料或化学品（如甲醇、甲酸等C1含氧化合物），将对能源结构调整与碳资源利用具有重大战略意义。然而，由于甲烷分子结构高度对称，C–H键能极高，在温和条件下实现其选择性活化并转化为C1含氧化合物，一直是催化化学领域最具挑战性的课题之一。长期以来，金属-分子筛催化剂中的金属位点被视为甲烷活化的催化活性中心，而分子筛骨架中固有的Brønsted酸位点所起的作用则常被忽视。
本研究通过对比富含Brønsted酸位点的ZSM-5与无Brønsted酸位点的Silicalite-1载体及其负载的铜催化剂，揭示了Brønsted酸位点能够吸附甲烷分子并诱导其C–H键极化，显著降低后续断键的能垒。研究团队成功将铜和锌以单原子形式精准锚定在ZSM-5分子筛骨架上，制备出Zn1-Cu1/ZSM-5双金属单原子催化剂。原子级分散的铜、锌位点负责高效活化H2O2，生成高活性的·OH和·OOH自由基；·OH与极化的甲烷C–H键相互作用，促进C–H键活化并转化为·CH3自由基，·CH3进一步与·OH和·OOH自由基碰撞生成CH3OH（甲醇）和HCOOH（甲酸），从而显著提升C1含氧化合物的总产率。在50°C、0.4 MPa的温和反应条件下，Zn1-Cu1/ZSM-5催化剂展现出卓越的催化性能，C1含氧化合物的产率显著优于物理混合的Cu/ZSM-5和Zn/ZSM-5催化剂，凸显出双金属单原子与酸位点之间的协同效应。同时，催化剂在循环测试中表现出良好的稳定性。该研究阐明了Brønsted酸位点极化甲烷分子与金属位点促进活性氧物种生成的协同反应机制。
图1 Brønsted酸位极化甲烷分子与金属位点促活性氧物种生成的反应机理图
中国科学院生态环境研究中心颜子林博士为论文第一作者，中国科学院生态环境研究中心麻春艳研究员和宋茂勇研究员为论文共同通讯作者。该研究得到了国家重点研发计划和国家自然科学基金等项目的资助。
论文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.5c23094
环境纳米技术与健康效应重点实验室
2026年4月3日