甲烷是天然气、页岩气、沼气的主要成分，其中，天然气水合物中储存的天然气总量约为其他化石燃料储量总和的两倍。沼气可以由垃圾、农业废弃物等发酵产生，因此，甲烷的储量丰富且为可再生资源，如果能有效、合理地转化甲烷形成各种基础化学品和燃料，有助于缓解当今世界的能源危机。另外，甲烷是地球大气中仅次于二氧化碳的温室气体，甲烷的转化也有助于环境治理。

图1. 单原子钴催化剂催化甲烷氧化转化的整体路线

　　甲烷的高效转化有两大难题，一个是甲烷碳-氢键的活化，一个是活化之后反应的选择性。甲烷的碳-氢键键能很强，活化需要高温、高压的苛刻条件。在这种条件下，碳-氢键能够活化，但也伴随着甲烷的过度氧化生成二氧化碳等产物，甚至伴随着甲烷碳-氢键的过度活化而引起积碳，大大降低催化剂的活性。因此，高效利用甲烷需要一种催化剂，既能够促进甲烷的活化，又能使之向目标产物转化。最近，中国科学技术大学的杨金龙教授团队应用第一性原理理论计算，预测了一种可高效转化甲烷为甲醇的单原子催化剂。

图2. 单原子钴催化剂催化氧化氮分解的势能面示意图

　　图1展示了该工作的整体路线，反应以石墨烯负载的单原子钴为催化剂，氧化氮（N2O）为氧化剂，可以在温和条件下催化甲烷生成甲醇。图2展示了石墨烯负载的单原子钴催化氧化氮分解的势能面，基本上是无能垒的过程，可以很容易得到石墨烯负载的氧化钴。图3是石墨烯负载的氧化钴催化甲烷生成甲醇、金属卡宾（MCH2）、水、金属氢氧化物和甲基（CH3）势能面的示意图。由图2和图3的势能面可知，石墨烯负载的单原子钴催化剂对甲烷转化为甲醇具有高活性和高选择性。

图3. 单原子催化剂催化甲烷氧化转化的各个势能面示意图

　　目前，研究工作者主要集中于甲烷氧化活性的研究，相比之下，对甲烷选择性转化的研究较为有限。该工作不仅研究了催化甲烷的活性，而且也研究了甲烷转化的选择性，有助于甲烷高效地转化为目标产物。该研究团队目前致力于相关课题更深入的研究，期待实验相关的研究团队在实际条件下测试并验证单原子催化剂在甲烷转化反应中的应用。
　　这一成果近期发表在Chemical Communications 上，文章的第一作者袁金云现于郑州轻工业学院工作，通讯作者是中国科技大学的杨金龙教授。

该论文作者为：Jinyun Yuan, Wenhua Zhang, Xingxing Li and Jinlong Yang
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A high performance catalyst for methane conversion to methanol: graphene supported single atom Co
Chem. Commun., 2018, 54, 2284, DOI: 10.1039/C7CC08713F

导师介绍
杨金龙
http://www.x-mol.com/university/faculty/14848
研究团队介绍
http://staff.ustc.edu.cn/~jlyang/

来源：X一MOL资讯