氮化硼限域单铁原子介导CH4/H2O等离子体中自由基定向组装制甲醇

研究人员通过机械球磨诱导缺陷位点原位锚定合成氮化硼(BN)限域铁单原子催化剂(Fe-SACs)，用于非热等离子体(NTP)催化甲烷直接制甲醇。该研究解决了NTP条件下催化剂设计理论框架缺失和自由基表面组装控制难题，使CH3OH产率提升≈2.5倍且选择性翻倍。理论计算表明Fe-SACs可快速捕获H2O解离的·OH自由基，稳定·CH3物种并促进E-R路径CH3OH组装，为等离子体催化自由基定向转化提供新范式。

　　

甲烷直接转化为高附加值化学品是催化领域的重大挑战。非热等离子体(Nonthermal Plasma, NTP)技术为甲烷活化制甲醇提供了高效路径，但NTP条件下的催化剂设计理论仍不完善，尤其难以控制催化剂表面自由基物种的组装过程。

研究团队创新性地通过机械球磨诱导缺陷，原位锚定制备出氮化硼(Boron Nitride, BN)限域的铁单原子催化剂(Iron Single-Atom Catalysts, Fe-SACs)。该催化剂在NTP催化甲烷-水体系直接制甲醇反应中表现卓越：与单纯NTP条件相比，甲醇(CH₃OH)产率提升约2.5倍，选择性实现翻倍增长。

实验与理论计算揭示，Fe-SACs能快速捕获H₂O解离产生的羟基自由基(·OH)，避免其湮灭。这一特性不仅稳定了甲基自由基(·CH₃)，更通过Eley-Rideal(E-R)反应路径显著加速了甲醇分子的组装动力学。该研究首次提出等离子体催化中"自由基吸附强化-定向组装"的催化剂设计准则，为通过自由基路径实现反应物定向催化转化开辟了新思路。