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为解决含过渡金属 ZSM-5 催化甲烷选择性氧化时催化位点多样阻碍转化效率与选择性的问题，研究人员探究 ZSM-5 中 Al 位点对活性物种形成与稳定性的影响。发现框架 Al 可分散稳定 Fe 等金属原子，优化催化剂获 44.2 mmol?gcat-1•h-1收率与 91.5% 选择性，为无 Al 位点催化剂 4.5 倍，助力高效催化剂设计。
甲烷，这个在自然界中因高度对称稳定结构而难以被温和条件氧化的 “顽固分子”，却蕴含着转化为高附加值化学品的巨大潜力。如何在不依赖高温高压等苛刻条件下，实现其选择性氧化一直是催化领域的 “硬核” 挑战。现有的含过渡金属 ZSM-5 催化剂虽能在温和条件下发挥作用，但催化位点的多样性如同杂乱的 “指挥系统”，让甲烷转化的效率与选择性大打折扣，就像一支缺乏精准指挥的乐队，难以奏响和谐的 “化学反应乐章”。在此背景下，揭示催化体系中关键组分的作用机制，成为突破现有瓶颈的关键钥匙。
为解开这一科学谜题，国内研究人员开展了深入研究。他们将目光聚焦于 ZSM-5 沸石中铝（Al）位点的独特作用，试图从原子层面理清其对活性物种形成与稳定性的影响脉络，为设计更高效的甲烷氧化催化剂绘制 “精准地图”。这项研究成果发表在《Applied Surface Science》，为该领域的发展提供了重要的理论与实验支撑。
研究人员主要运用了光谱分析与密度泛函理论（DFT）计算两种关键技术方法。通过光谱分析这一 “分子显微镜”，他们得以观测活性物种的微观存在形态；借助 DFT 计算这一 “理论推演器”，深入探究了 Al 位点与金属物种间的相互作用机制。
催化剂制备
研究采用高温退火策略制备 M - 沸石（M=Fe、Co、Ni、Cu）催化剂。先将商业沸石在 120°C 烘箱干燥 3 小时去除孔内残留水分，再用 1 克干燥沸石进行浸渍等操作，该方法被证实可简便地在沸石内获得孤立单原子位点。
Fe 物种在 Fe-Z5 和 Fe-S1 中的鉴定
在探究 Al 位点作用前，研究人员将相同量铁负载于拓扑结构不同、反应空间渐大的沸石，测试其在 H2O2水溶液中对甲烷的选择性氧化。结果表明 Fe-MFI 催化性能最佳，故选择 MFI 型沸石作为后续实验主要载体，进而聚焦 Al 位点对 Fe 物种的影响。
结论
研究发现，ZSM-5 沸石中原子级分散的 Fe、Co、Ni、Cu 等金属是甲烷选择性氧化的活性位点，Al3+的存在显著促进了这些活性位点的形成。它如同 “分子胶水”，助力通过浸渍引入的低聚 FexOy簇和纳米颗粒重新分散，并稳定高度分散的金属物种。尽管未详细讨论 Si-OH 位点影响，但已确定其不作为锚定位点。
这项研究首次从原子级层面清晰揭示了 ZSM-5 中 Al 位点在甲烷选择性氧化中的核心作用，为高效催化剂的设计提供了全新思路。Al 位点并非直接作为活性位点参与反应，而是化身 “幕后推手”，通过分散和稳定金属物种、调控酸性质，为催化反应搭建了高效的 “舞台”。优化后的催化剂在 50°C 下实现了 44.2 mmol?gcat-1•h-1的含氧化合物收率和 91.5% 的液体含氧化合物选择性，较无 Al 位点催化剂提升 4.5 倍，为温和条件下甲烷转化为高附加值化学品的工业化应用撕开了一道希望的 “裂缝”，有望在能源化工领域掀起一场 “绿色催化” 的新变革。
