Magnetically tunable selectivity in methane oxidation enabled by Fe-embedded liquid metal catalysts

作者
Haoran Zhang,Yu Zhang,Rui Huang,Zhiwen Zhang,Zhou Huang,Yuen Wu,Yinhe Wang,Fan Wu,Jun Jiang,Yu Mao,Lei Zheng,Weijie Zhong,Lin Hu,Sicong Wang,Xiaokang Liu,Tao Yao,Yihua Ran,Jun Cai,Zhi Liu
出处
期刊:Nature Nanotechnology [Nature Portfolio]
卷期号:20 (12): 1779-1786 被引量:3
标识
DOI:10.1038/s41565-025-02029-5
摘要

As they are liquids at room temperature, gallium-based metal substrates allow catalytic metal atoms to move freely without lattice constraints, thereby facilitating the development of catalysts with reconfigurable structures. Here we design an iron-embedded liquid metal catalyst that enables reversible switching of the aggregation and electron spin of iron atoms by controlling an external magnetic field. This facilitates a reversible conversion of the primary liquid products, methyl hydroperoxide (CH3OOH) and acetic acid (CH3COOH), under ambient conditions. The catalyst achieves promising production rates (CH3OOH, 1,679.6 m m o l g F e - 1 h - 1 ; CH3COOH, 790.5 m m o l g F e - 1 h - 1 ) and high selectivities (CH3OOH, 99.9%; CH3COOH, 91.7%). In the absence of the magnetic field, iron atoms are atomically dispersed, leading to the C1 pathway without C-C bond coupling. When a magnetic field is applied, iron atoms cluster, favouring CH3COOH production in the C2 pathway. The product distribution can be finely and reversibly tuned with magnetic field intensity adjustments ranging from 0 to 500 G. Our findings highlight the potential for using an external magnetic field to precisely control catalytic pathways.
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