近日，中国科学院上海高等研究院研究团队构建一种ZSM-5负载的PdO纳米颗粒和Cu单原子共存的双组分体系PdCu/ZSM-5，实现了以分子氧(O2)为氧化剂，在H2存在条件下串联催化甲烷转化为含氧产物(如甲醇)，在120 ℃下获得了高达1 178 mmol/(g·h) 的含氧产物收率和95%的含氧产物选择性，并结合控制实验和机理研究阐明了Pd和Cu物种在反应过程中的作用。相关研究成果发表于《德国应用化学》杂志。

将O2作为氧化剂用于甲烷直接转化为含氧产物一直备受学术界和工业界关注，但该反应通常需要较高反应温度，会使得生成的含氧产物易于过度氧化并生成热力学稳定的CO2，导致含氧产物收率和选择性降低。而在较温和条件下O2活化较难，甲烷转化效率不高。

如何在温和条件下强化对O2活化，使之转变为高活性的羟基和过氧羟基物种以加速甲烷活化，同时抑制中间产物的过氧化成为关键问题，开发具有较低贵金属负载量的高效甲烷低温活化催化剂势在必行。

该研究团队采用多种先进表征手段，如球差电镜(AC-HAADF-STEM)、X射线吸收精细结构(XAFS)、原位CO吸附的傅里叶变换漫反射红外光谱(CO-DRIFTS)等，证实了在PdCu/ZSM-5中PdO纳米粒子和Cu单原子共存。所构筑的PdCu/ZSM-5催化剂在120 ℃下表现出远高于Pd/ZSM-5、Cu/ZSM-5以及Pd/Cu-PM(物理混合)催化剂的性能。基于每克Pd计算，PdCu/ZSM-5催化剂的反应性能显著高于同样以O2为氧化剂的其他文献所报道的反应性能，甚至可与直接使用H2O2为氧化剂时的一些贵金属催化剂展现出的活性相媲美。

控制试验和机理研究表明，PdO纳米颗粒可促进原位合成H2O2，而Cu单原子可以高选择性地将原位生成的H2O2转变为·OH，进而甲烷转变为·CH3，·OH捕获·CH3形成甲醇。通过串联催化途径，在PdCu/Z-5催化剂上实现了以O2为氧化剂甲烷高效转化制备含氧产物。

该研究可为甲烷及其他低碳烷烃C—H键的高效活化提供借鉴。