我系李隽教授与西安交通大学常春然副教授研究组合作，采用计算化学方法对甲烷在铁基单原子催化剂上的活化与转化机理进行了系统的理论研究，发现了铁单原子催化剂上甲烷无氧催化转化的微观机理。相关研究结果近日发表于德国《应用化学》杂志（Angew. Chem. Int. Ed., 2020，DOI: 10.1002/anie.202003908），并入选为Very Important Paper (VIP)。刘源博士是该项研究论文的第一作者。

随着石油资源的不断消耗和大规模页岩气的发现和开采，发展以天然气及页岩气为原料生产基础化工品的新石化路线具有重要意义。2014年，中科院大连化学物理研究所包信和院士团队报道了一种硅化物晶格限域的单铁中心催化剂(Fe1？SiO2), 成功实现了甲烷在无氧条件下一步法生产乙烯、芳烃和氢气（Science, 2014, 344, 616），被称为甲烷的“包氏转化法”。然而，该方法的反应机理不明，限制了催化剂的优化和反应过程的进一步设计，因此深入研究甲烷在该催化剂上的无氧转化机理成为一个重要的关键科学问题。

采用基于密度泛函理论的从头算分子动力学方法，研究人员发现了甲烷无氧催化转化的表面“类Mars-van-Krevelen（MvK）机理”（图1）。在此机理中，甲烷在接近原位生成的Fe1？SiC2活性中心时，容易发生解离活化形成甲基自由基，后者极易迁移至铁单原子活性中心邻近的不饱和碳原子上，并基于C-C偶联形成乙烯。有趣的是，乙烯脱附空出的活性中心会继续吸附新的甲烷分子作为碳源补充载体表面失去的碳原子，最终恢复Fe1？SiC2活性中心。

图1.甲烷无氧催化转化的类Mars-van-Krevelen（MvK）机理

由于甲烷的高效及高选择性转化是最具挑战性的科学难题之一，该研究为甲烷在铁基单原子催化剂上的活化转化提供了全新的认识，证明了乙烯产物的高选择性依赖于特定的单原子催化活性中心，为今后设计新型甲烷转化催化剂及天然气和页岩气的高效利用奠定了理论基础。上述工作发表后，国家自然科学基金委、欧洲Chemistry Views和WileyChem等对此项工作进行了报道。

相关论文和新闻链接：

https://www.onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/anie.202003908

https://mp.weixin.qq.com/s/l6nxSobtyASHL7CmG2cvlQ

https://www.chemistryviews.org/details/ezine/11257057/Nonoxidative_Conversion_of_Methane_on_Iron_SingleAtom_Catalysts.html

http://www.nsfc.gov.cn/publish/portal0/tab448/info78210.htm