原创曹昌燕CellPress细胞科学
物质科学Physicalscience
作为世界领先的全科学领域学术出版社，细胞出版社特与“中国科学院青年创新促进会”合作开设“青促会述评”专栏，以期增进学术互动，促进国际交流。
年第九期（总第46期）专栏文章，由来自中国科学院化学研究所副研究员中国科学院青年创新促进会会员曹昌燕，就Chem中的论文发表述评。
甲烷是储量丰富的重要能源小分子，以其为起始原料制备化学品是解决未来能源需求的有效途径。在能源密集型工业过程中，甲烷常常经水蒸气重整制合成气，合成气再进一步转化成各类化学品和燃料。相比之下，甲烷的直接转化具有更显著的优点。然而由于甲烷分子C-H键能高（kJ/mol），其直接催化转化极具挑战。其中，甲烷高选择性直接氧化制甲醇引起了研究者们广泛兴趣，该反应在热力学上有利，可以在较温和的条件下实现。受天然甲烷单氧酶启发，分子筛负载铁、铜等第一过渡金属被认为是上述反应的最佳催化剂种类之一。同时，有前景的可持续化的甲烷制甲醇路线其催化过程需要是连续的，且要满足以下几个关键要求：（1）使用储量丰富且廉价的氧化剂，如氧气；（2）高甲醇选择性；（3）甲烷的可持续转化；（4）稳定的催化剂。
针对上述问题，来自南开大学的李兰冬教授等人报道以Cu-CHA为催化剂，在水和氧气存在条件下甲烷高选择性连续生产甲醇。通过对催化材料和反应条件的优化，同时获得了高的甲醇选择性和时空收率，这是甲烷氧化功能化的重要进展。结合光谱分析和理论计算等手段，清晰的阐明了甲烷氧化制甲醇的机制，不仅澄清了目前相关机理争议，并将促进该反应的进一步可持续发展。该文章于3月19日发表在CellPress旗下旗舰刊Chem上。
▲图1(A)Cu-CHA(方形)、Cu-MOR(圆形)和Cu-MFI(金刚石)催化剂在不同反应条件下的甲烷转化性能对比；(B)Cu-CHA催化甲烷氧化制甲醇时空性能图(红色柱：甲醇；黄色柱：二氧化碳)。
图1A展示了三种类型铜分子筛在不同条件下的甲烷转化性能。由图可见，当以Cu-CHA为催化剂，在K，2%水，ppm氧气条件下，甲醇的选择性达到91%，甲醇时空收率mmol/molCu/h，比文献中已报道铜分子筛在近似反应条件下的性能高一个数量级。此外，Cu-CHA催化剂表现出非常优异的稳定性，连续运行h仍保持较高性能（图1B）。因为反应中加入了2%的水，反应后甚至可以直接得到浓度约为1.2%的甲醇水溶液，进一步方便后续使用。上述结果表明通过一步催化甲烷氧化持续生产甲醇成为可能。
为了探究催化反应过程与机理，作者首先采用同位素标记的程序升温表面反应进行了研究。如图2A所示，当分别用D2O，CD4，HO和18O2为标记性反应物时，根据其产物同位素分布结果分析，甲烷可以被氧气氧化。值得
