中國科學技術大學的曾杰教授團隊近期取得了重大科研成果，他們成功研發出一種新型的分子篩負載的金-鐵雙金屬催化劑，這一成果在低溫甲烷氧化制乙酸的研究中顯示出顯著效果。
該催化劑的特別之處在于，它能在水中以氧氣為氧化劑，并且在一氧化碳的存在下，將甲烷有效地氧化為乙酸。這項研究不僅為低溫條件下甲烷到乙酸的轉化提供了高效的催化方法，還進一步加深了科學家們對于氧化劑作用機制的理解。相關論文已在《德國應用化學》上發表。
詳細來說，這款催化劑的工作原理是，金納米粒子催化一氧化碳、氧氣和水生成活性的羥基物種，而原子級別分散的鐵元素則推動了羥基介導的甲烷氧化及碳-碳偶聯反應，最終生成乙酸。在120℃下反應3小時后，該催化劑能實現每克5.7毫摩爾的乙酸收率，且乙酸在液相產物中的選擇性高達92%。即使在60℃的低溫條件下，該催化劑依然能表現出其活性。
由于甲烷的化學性質相對穩定，且氧氣在低溫下活性不高，因此在這樣的條件下用氧氣氧化甲烷制備乙酸是一個技術難題。曾杰團隊的研究通過引入一氧化碳，為乙酸的合成開辟了新的路徑。
過去的研究已經認識到，在這種反應中，一氧化碳可以扮演還原劑、配體和反應物的多重角色。但此前的催化劑通常需要在大約150℃才能實現甲烷到乙酸的氧化，而在較低的溫度下幾乎無法生成乙酸。
在此之前，低溫下甲烷到乙酸的氧化通常需要使用強氧化劑，如過氧化氫或過硫酸鉀與三氟乙酸的混合物。曾杰團隊的研究探索了一氧化碳及溶劑水在反應中的其他作用，為在低溫條件下利用氧氣氧化甲烷制備乙酸提供了新的思路。
通過同位素標記、捕獲實驗、分段實驗以及多種先進的分析技術，研究團隊發現，一氧化碳在水的存在下能輔助氧氣活化為活性羥基物種。這些活性羥基物種進而介導甲烷的氧化，并與一氧化碳發生碳-碳偶聯，最終生成乙酸。這一發現不僅解釋了催化劑的工作原理，也為進一步的催化劑優化和應用提供了理論基礎。
