Enzyme-Mimicking Copper Single-Atom Catalyst for Selective Oxidation of Methane to Liquid Oxygenates

化学 氧合物 催化作用 甲烷 甲烷厌氧氧化 有机化学 无机化学 光化学
作者
Li Zhang,Yike Huang,Yuehan Wang,Zhen Wang,Chuande Huang,Xiaofeng Yang,Botao Qiao,Xiaodong Wang,Tao Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (32): 29496-29504 被引量:12
标识
DOI:10.1021/jacs.5c10016
摘要

Direct methane conversion (DMC) to oxygenates with high reactivity and selectivity represents one of the greatest challenges in catalysis. Herein, we report an enzyme-mimicking Cu1 single-atom catalyst for efficient DMC using H2O2 and O2 as the oxidant. Upon oxidation with H2O2, Cu1 single atoms are stabilized in the form of N2-Cu1-O at the zigzag edge of carbon nitride, endowing highly covalent Cu-O pair for homolytic C-H cleavage of methane (diameter of 3.78 Å) with a low barrier of 0.58 eV. Importantly, the formed methyl radicals could be captured by O2 and generate CH3OOH (diameter >4.2 Å) as the primary product, whose back diffusion and overoxidation over Cu1 are retarded via the steric hindrance of the zigzag edge that holds a "V-type" configuration with an entrance width of 3.87 Å. Such synergy between active centers and the specific steric hindrance of the surrounding geometric structure, analogous to the gating mechanism of methane monooxygenase, gives a high turnover frequency of 405.3 ± 8.2 h-1 with ∼100% selectivity at 50 °C.
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