В 2025 году в журнале Nature Communications появилась публикация, описывающая прорыв в области химического катализа. Ученые из Даляньского института химической физики (DICP) Китайской академии наук, под руководством профессора Дэн Дэхуэя, доцента Цуй Сяоцзю и профессора Юй Ляна, разработали нанокатализатор, способный с высокой эффективностью превращать метан (CH4) в уксусную кислоту (CH3COOH). Этот процесс, который ранее считался крайне сложным и энергозатратным, теперь может происходить при мягких условиях, что открывает новые перспективы в использовании природного газа.
Ключом к успеху стал новый катализатор, представляющий собой наногетероструктуру. Она состоит из пар атомов родия и цинка (Rh-Zn), расположенных внутри решетки дисульфида молибдена (MoS2) и интегрированных с наночастицами диоксида титана (TiO2). Такая сложная структура обеспечивает высокую каталитическую активность и селективность процесса. Роль каждого компонента тщательно выверена. Цинк в составе катализатора обеспечивает фоторедукцию кислорода, образуя активные гидроксильные радикалы (OH). Эти радикалы в свою очередь инициируют расщепление метана на метильные группы (CH3). Далее метильные группы связываются с монооксидом углерода (CO) на соседних атомах родия, образуя молекулы уксусной кислоты.
Уникальность нового катализатора заключается в его дуальной структуре. Атомы цинка обеспечивают образование активных промежуточных продуктов, в то время как атомы родия участвуют в ключевой реакции соединения углерод-углерод, что приводит к формированию целевого продукта. Благодаря такому синергическому эффекту, новый катализатор демонстрирует высокую производительность – 152 мкмоль на грамм катализатора в час (152 μmol gcat.-1 h-1), и высокую частоту оборота – 62 оборота в час (62 h-1). При этом селективность реакции достигает 96.5%, то есть большая часть преобразованного метана идет на образование уксусной кислоты, а не других побочных продуктов.
Этот фотокаталитический процесс, описанный в статье под названием "MoS2-confined Rh-Zn atomic pair boosts photo-driven methane carbonylation to acetic acid", открывает новый путь для использования метана. Традиционные методы преобразования метана в уксусную кислоту требуют высоких температур и давлений. Предложенный метод позволяет проводить реакцию при мягких условиях, что снижает энергозатраты и делает процесс более экологичным. Уксусная кислота является важным сырьем для многих отраслей промышленности, а ее производство из метана, основного компонента природного газа, открывает возможность для его более эффективного использования.
Разработанный катализатор не только эффективен, но и представляет собой новый подход к конструированию каталитических материалов. Размещение пар атомов родия и цинка в определенном порядке внутри сложной наноструктуры обеспечивает оптимальные условия для последовательных химических реакций, включая фотовосстановление кислорода, диссоциацию метана и образование связи углерод-углерод. Такой подход может быть использован для создания других катализаторов для различных химических процессов.
Работа, опубликованная Янаном Ли в качестве первого автора, демонстрирует возможность преобразования метана в ценные химические продукты с использованием света, что является перспективным направлением для развития «зеленой химии» и устойчивого развития. Этот прорыв не только решает проблему утилизации метана, но и открывает новые горизонты для химической промышленности. Реакция фото-управляемого карбонилирования метана, в ходе которой образуется уксусная кислота, становится реальной благодаря новому катализатору, разработанному в Даляньском институте химической физики.
Изображение носит иллюстративный характер
Ключом к успеху стал новый катализатор, представляющий собой наногетероструктуру. Она состоит из пар атомов родия и цинка (Rh-Zn), расположенных внутри решетки дисульфида молибдена (MoS2) и интегрированных с наночастицами диоксида титана (TiO2). Такая сложная структура обеспечивает высокую каталитическую активность и селективность процесса. Роль каждого компонента тщательно выверена. Цинк в составе катализатора обеспечивает фоторедукцию кислорода, образуя активные гидроксильные радикалы (OH). Эти радикалы в свою очередь инициируют расщепление метана на метильные группы (CH3). Далее метильные группы связываются с монооксидом углерода (CO) на соседних атомах родия, образуя молекулы уксусной кислоты.
Уникальность нового катализатора заключается в его дуальной структуре. Атомы цинка обеспечивают образование активных промежуточных продуктов, в то время как атомы родия участвуют в ключевой реакции соединения углерод-углерод, что приводит к формированию целевого продукта. Благодаря такому синергическому эффекту, новый катализатор демонстрирует высокую производительность – 152 мкмоль на грамм катализатора в час (152 μmol gcat.-1 h-1), и высокую частоту оборота – 62 оборота в час (62 h-1). При этом селективность реакции достигает 96.5%, то есть большая часть преобразованного метана идет на образование уксусной кислоты, а не других побочных продуктов.
Этот фотокаталитический процесс, описанный в статье под названием "MoS2-confined Rh-Zn atomic pair boosts photo-driven methane carbonylation to acetic acid", открывает новый путь для использования метана. Традиционные методы преобразования метана в уксусную кислоту требуют высоких температур и давлений. Предложенный метод позволяет проводить реакцию при мягких условиях, что снижает энергозатраты и делает процесс более экологичным. Уксусная кислота является важным сырьем для многих отраслей промышленности, а ее производство из метана, основного компонента природного газа, открывает возможность для его более эффективного использования.
Разработанный катализатор не только эффективен, но и представляет собой новый подход к конструированию каталитических материалов. Размещение пар атомов родия и цинка в определенном порядке внутри сложной наноструктуры обеспечивает оптимальные условия для последовательных химических реакций, включая фотовосстановление кислорода, диссоциацию метана и образование связи углерод-углерод. Такой подход может быть использован для создания других катализаторов для различных химических процессов.
Работа, опубликованная Янаном Ли в качестве первого автора, демонстрирует возможность преобразования метана в ценные химические продукты с использованием света, что является перспективным направлением для развития «зеленой химии» и устойчивого развития. Этот прорыв не только решает проблему утилизации метана, но и открывает новые горизонты для химической промышленности. Реакция фото-управляемого карбонилирования метана, в ходе которой образуется уксусная кислота, становится реальной благодаря новому катализатору, разработанному в Даляньском институте химической физики.
