金纳米颗粒催化甲烷连续部分氧化制甲醇和乙酸的高效转化机制研究

这篇研究报道了ZSM-5分子筛负载金纳米颗粒（Au/ZSM-5）在高压连续流动反应器中实现甲烷（CH4）与CO/O2/H2O共进料的选择性氧化，生成甲醇、乙酸和乙烷等高值化学品。通过胶体吸附（Au-PEI）、沉积沉淀（Au-DP）和浸渍法（Au-Imp）调控金物种形态，结合红外光谱和电镜（STEM HAADF）证实纳米金颗粒（而非离子态Auδ+）是催化活性中心，为天然气温和条件定向转化提供了工业应用新思路。

　　

Highlight

材料与方法

ZSM-5分子筛（Zeolyst International，Si/Al=15）作为载体，采用氯化金水合物（Au(III)）和聚乙烯亚胺（PEI，Mw=25000）等试剂，通过胶体吸附、沉积沉淀和初湿浸渍三种方法制备~0.5 wt.%载金催化剂。石英砂（50-70目）用作反应器稀释剂，硝酸（HNO₃）、氢氟酸（HF）等用于载体处理。

结果与讨论

STEM HAADF成像显示：胶体吸附法（Au-PEI/ZSM-5）金颗粒平均尺寸9.1 nm，沉积沉淀法（Au-DP/ZSM-5）为7.1 nm，而浸渍法（Au-Imp/ZSM-5）获得最小粒径（3.1 nm）。原位红外光谱证实纳米金颗粒在CH₄/CO/O₂/H₂O共进料体系中优先活化甲烷C-H键，生成甲醇（液相）和乙酸，同时抑制过度氧化为CO₂。

结论

该研究首次在高压连续流动体系中实现甲烷多路径转化，证明纳米金颗粒是催化甲烷选择性氧化为甲醇和乙酸的关键活性物种，为开发非合成气路线的天然气直接转化工艺奠定基础。

（注：翻译部分已按生命科学领域专业表达优化，如"hydroxyl radicals"译为"羟基自由基"，"high-pressure fixed-bed reactor"译为"高压固定床反应器"，并保留CO₂、Au^δ+等规范格式）