将甲烷(CH4)直接氧化成商用化学品和燃料(如甲醇和其他含氧化合物)被认为是高效、经济地将甲烷转化为高价值化学品的有效途径。然而，CH4分子的最低未占据轨道和最高占据轨道之间的巨大能隙使得CH4的第一个C-H键具有较大的键能。此外，具有过强CH4和氧物种吸附能力的金属(如Pt和Ni)通常会诱发CH4深度脱氢或过氧化。因此，同时调整CH4和氧的活化过程，以便收获高纯度具有附加值的氧化物迫在眉睫。
基于此，江南大学娄阳和华东理工大学曹宵鸣等设计并构建了ZSM-5负载的Cu和Ag双单原子催化剂(Ag1-Cu1/ZSM-5 hetero-SAC)，以促进H2O2直接氧化甲烷(DOM)。DOM催化实验结果表明，以H2O2为氧化剂，所制备的Ag1-Cu1/ZSM-5 hetero-SAC催化剂在70 ℃和30分钟内的甲醇产率高达20115 μmol gcat-1，甲醇选择性为81%；将Ag1/ZSM-5和Cu1/ZSM-5物理混合后甲醇产率和选择性分别为11700 μmol gcat-1和69%，显着低于Ag1-Cu1/ZSM-5 hetero-SAC，表明相邻Cu、Ag双原子之间存在明显的协同效应，不仅提高了催化活性，而且促进了甲醇的选择性。为了探索异质SAC对增强DOM的协同作用，进一步合成了一系列M1-Cu1/ZSM-5 hetero-SAC(M=Pd，Ir，Pt，Rh，Au和Ag)。结果表明，与单个原子相比，以双原子为活性中心的异质SAC能够显著提高DOM的催化性能。实验结果和理论计算表明，Ag和Cu之间的协同作用促进了高活性表面羟基物种的形成，从而激活了C−H键；并且Ag和Cu之间的强相互作用增强了Cu原子的稳定性，使得Ag1-Cu1/ZSM-5 hetero-SAC在反应前后没有发生明显的Ag和Cu浸出。因此，Ag和Cu之间的协同作用显著提升了催化剂的DOM催化活性、甲醇选择性和稳定性。综上，这项工作在原子水平上详细阐述了双单原子催化剂活性提升的机理，这为合理设计双单原子活性中心催化剂以实现高效甲烷转化提供了指导。Silver and Copper Dual Single Atoms Boosting Direct Oxidation of Methane to Methanol via Synergistic Catalysis. Advanced Science, 2023. DOI: 10.1002/advs.202302143
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