近日，化学领域顶级期刊《德国应用化学》刊发我校重质油国家重点实验室新型碳材料团队吴文婷教授最新研究成果Fe/Fe₃C boost H₂O₂ utilization for methane conversion overwhelming O₂ generation，该成果对H₂O₂的高效利用和常温常压下惰性烃类物质的选择性氧化具有重要的指导意义和参考价值。我校化学工程与技术专业2018级硕士研究生邢毅成为第一作者，吴文婷教授和吴明铂教授为共同通讯作者，中国石油大学（华东）为第一署名单位。

Angew. Chem. Int. Ed. Engl. 期刊封面

能源结构调整对能源绿色转型的要求日益迫切，天然气、页岩气作为高效的清洁能源，消费量预计将持续增长。若将主要成分甲烷直接选择氧化为更易于运输的液体产物，则能显著提高其应用潜力，极大地摆脱对石油的依赖。甲烷转化过程中存在的核心挑战是碳氢键在对称的四面体结构中特别稳定，温和条件下的难以活化转化。双氧水（H₂O₂）是一种高效绿色的氧化剂，-O-O-键均裂产生的羟基自由基（•OH，氧化能力更强）可以作为高效活化甲烷C-H键的活性氧物种。然而，H₂O₂用量远超产品组成中的化学计量，资源浪费严重且容易造成产物产率和选择性降低，在其自身利用或者均裂过程中，常常竞争性地伴随着O₂（氧化能力弱）的生成。

工作以典型的FeN_x/C碳基材料为研究模型，揭示了不同铁活性物种的电子态对H₂O₂均裂产•OH的影响和机制，成功实现常温常压下高效高选择性氧化甲烷制备甲酸等含氧液体产物。结合DFT理论计算和试验结果表明：FeN_x/C催化剂中低自旋态Fe-N_x位点是产生•OH的活性位点，Fe/Fe₃C结构中的Fe₃C电荷密度适中，促进H₂O₂均裂并高效生成•OH；Fe/Fe₃C结构中的Fe单质电荷密度高，易促进H₂O₂异裂生成氧化能力低的O₂，造成H₂O₂浪费。

过精确控制FeN_x/C碳基光催化剂内部FeN_x的自旋态和Fe/Fe₃C的含量，H₂O₂有效利用率（G factor）达到0.58，O₂抑制效率达到68%；常温常压下，甲烷转化率高达18%，液体产物选择性达到96%，其中主要产物甲酸产率可达4659 μmol·g_cat^-1，选择性可达90%。目前为止，此结果是已有报道的常温常压下H₂O₂光催化体系中选择性氧化甲烷制备甲酸的最高活性。

Angew. Chem. Int. Ed. Engl.，化学领域的顶级期刊，影响因子12.712，收录的文章主要分布在有机化学、生命有机化学、材料学、高分子化学等领域，无机化学、物理化学涉及相对较少。收录的论文要求原创性、结果的重要性、惊奇性、内容的通俗性以及科学的正确性。

全文链接：onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/anie.202016888