中国科学技术大学的曾杰教授团队近期取得了重大科研成果，他们成功研发出一种新型的分子筛负载的金-铁双金属催化剂，这一成果在低温甲烷氧化制乙酸的研究中显示出显著效果。
该催化剂的特别之处在于，它能在水中以氧气为氧化剂，并且在一氧化碳的存在下，将甲烷有效地氧化为乙酸。这项研究不仅为低温条件下甲烷到乙酸的转化提供了高效的催化方法，还进一步加深了科学家们对于氧化剂作用机制的理解。相关论文已在《德国应用化学》上发表。
详细来说，这款催化剂的工作原理是，金纳米粒子催化一氧化碳、氧气和水生成活性的羟基物种，而原子级别分散的铁元素则推动了羟基介导的甲烷氧化及碳-碳偶联反应，最终生成乙酸。在120℃下反应3小时后，该催化剂能实现每克5.7毫摩尔的乙酸收率，且乙酸在液相产物中的选择性高达92%。即使在60℃的低温条件下，该催化剂依然能表现出其活性。
由于甲烷的化学性质相对稳定，且氧气在低温下活性不高，因此在这样的条件下用氧气氧化甲烷制备乙酸是一个技术难题。曾杰团队的研究通过引入一氧化碳，为乙酸的合成开辟了新的路径。
过去的研究已经认识到，在这种反应中，一氧化碳可以扮演还原剂、配体和反应物的多重角色。但此前的催化剂通常需要在大约150℃才能实现甲烷到乙酸的氧化，而在较低的温度下几乎无法生成乙酸。
在此之前，低温下甲烷到乙酸的氧化通常需要使用强氧化剂，如过氧化氢或过硫酸钾与三氟乙酸的混合物。曾杰团队的研究探索了一氧化碳及溶剂水在反应中的其他作用，为在低温条件下利用氧气氧化甲烷制备乙酸提供了新的思路。
通过同位素标记、捕获实验、分段实验以及多种先进的分析技术，研究团队发现，一氧化碳在水的存在下能辅助氧气活化为活性羟基物种。这些活性羟基物种进而介导甲烷的氧化，并与一氧化碳发生碳-碳偶联，最终生成乙酸。这一发现不仅解释了催化剂的工作原理，也为进一步的催化剂优化和应用提供了理论基础。
