第一作者：邓培林、徐月山、吴道雄、梁颖
通讯作者：田新龙
通讯单位：海南大学
论文DOI：10.1038/s41467-025-63067-0
近期，海南大学徐月山、邓培林所在团队在Nature Communications发表题为《Pd nanocatalysts engineering for direct oxidation methane-to-methanol with 99.7% selectivity》的研究论文。海南大学邓培林副研究员、徐月山副研究员、吴道雄副研究员和梁颖博士后为论文共同第一作者，田新龙教授为论文通讯作者。
可燃冰被誉为是21世纪最具商业开发价值的战略能源。南海可燃冰分布广泛、储量巨大、高效洁净，其高效开发利用对维护我国能源安全及能源转型具有重大的战略意义。甲烷是开采出可燃冰的主要存在形式，它不仅可以直接作为清洁燃料，也是众多工业高附加值的烯烃、芳烃和小分子醇类的C1原料。甲醇是合成多种有机产品的重要化工原料，并且常温下以液态形式存在，易于存储和运输。由于甲烷分子中C-H键的高度稳定性和弱极性，又有极高的键能，当前工业上主要通过间接法来实现甲烷到甲醇的转变：首先通过水蒸气重整将甲烷转化为合成气，再通过费托合成制得甲醇。该过程条件苛刻，碳利用率低，而且伴随着巨大的能耗和环境压力。另外，甲烷C-H键被活化后会得到高活性的中间物种，极容易发生过度氧化从而被彻底氧化为二氧化碳。因此，催化甲烷定向氧化直接转化制甲醇被视为催化化学领域的“圣杯”。构建具有高效、稳定和高选择性的催化体系，在相对温和的条件下实现甲烷的定向转化制甲醇，已成为当前国际前沿研究课题。
海洋清洁能源创新团队采用一步种子介导生长法，成功合成一系列尺寸不同（5 nm ~ 48 nm）、以{111}晶面为主导的八面体（o-Pd）Pd纳米晶和以{100}晶面（c-Pd）为主导的六面体Pd纳米晶。表面原子归一化活性与尺寸的构-效关系表明，两种Pd纳米晶催化甲烷直接制甲醇主要受到晶面类型控制，而不是尺寸效应控制。在70 °C下，5 nm的o-Pd可实现甲醇产率201.8 mmol·g-1·h-1，甲醇选择性高达99.7%，远高于c-Pd的催化性能。原位光谱表征和理论计算表明，与Pd{100}晶面相比，Pd{111}晶面由于具有更低的d带中心（自旋向上态为-6.85 eV，自旋向下态为-6.69 eV），能够显著弱化O2与*OH自由基的吸附强度，促进H2O2的原位生成（其生成速率达到32.9 mmol·g-1·h-1），从而提供丰富的高活性*OH自由基。此外，相较于{100}晶面，{111}晶面能够显著降低C-H键的活化能垒（0.90 eV vs. 1.21 eV）以及甲醇形成的能垒（1.42 eV vs. 1.51 eV），从而加快反应进程。该工作提出了{111}和{100}晶面Pd纳米催化剂的普适合成策略，通过晶面精准调控破解了Pd催化剂结构-性能关系的长期争议，明确了d带中心驱动的弱吸附效应为提升DOMM性能的核心机制，为理性设计高选择性甲烷转化催化剂提供了实验和理论基础。
图1 Pd纳米催化剂的合成与表征
图2 Pd纳米催化剂的甲烷直接氧化制甲醇性能研究
图3 Pd纳米催化剂的DOMM催化机制研究
图4 Pd纳米催化剂的密度泛函理论计算
该工作是海洋清洁能源创新团队继2024年通过调控超薄PdxAuy纳米片上金原子的覆盖率，揭示甲烷直接氧化制甲醇微观机制的基础上又一个突破（Nature Communications 2024, 15, 564.）。
文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63067-0
徐月山，海南大学海洋科学与工程学院副研究员，硕士生导师，海南省自由贸易港“E类人才”，海洋清洁能源创新团队骨干成员。主要从事贵金属纳米材料设计与合成以及天然气水合物资源化利用等方向的研究。目前以一作身份在Nature Communications（2篇）、Applied Catalysis B: Environmental、Advanced Optical Materials等国内外高水平学术期刊上发表论文6篇；获授权国家发明专利3项；主持海南大学高层次人才科研启动项目1项；担任Rare Metals青年编委；荣获得海南青年五四奖章集体、海南大学研究生年度人物等荣誉。
邓培林，海南大学海洋科学与工程学院副研究员，博士生导师。现为海南大学海洋清洁能源创新团队海洋核素资源提取和利用方向负责人。荣获海南省拔尖人才、海南省科学技术进步二等奖、海南青年五四奖章集体和海南省优秀研究生导师团队等荣誉。针对富碳天然气中甲烷和二氧化碳资源化利用的关键挑战，聚焦高效催化剂设计合成、活性位点识别与催化机制解析等研究。近五年，以第一作者或通讯作者在Nat. Commoun. (3篇), Angew. Chem. Int. Edit. (4篇), ACS Catal.,和J. Energy Chem.等国内外期刊发表SCI论文40余篇，4篇文章入选ESI高被引论文；谷歌学术检索获引用＞3200次，H指数28；获得授权国家发明专利10余项；先后主持7项国家级和省部级基金项目，参与海南省重大科技计划项目和中国工程院重大战略咨询项目等。担任eScience, Advanced Power Materials, Energy & Environment Materials, Rare Metals等期刊青年编委。
田新龙，海南大学研究生院副院长（主持工作），国家青年人才；海南大学“海洋清洁能源创新团队”负责人，团队获2022年海南省自然科学奖一等奖、2023年海南青年五四奖章集体；主要从事海水制氢、海水电池和海水资源提取的研究，在Science等期刊发表论文120余篇；主持国家级项目6项，授权国家发明专利24项、美国发明专利1项；担任全国青联第十四届委员会常委、中国青年科技工作者协会第七届理事、J. Energy Chem., eScience, Carbon Energy等期刊青年编委；获《麻省理工科技评论》亚太区“35岁以下科技创新35人”、侯德榜化工科学技术青年奖、海南青年科技奖、海南青年五四奖章（2022）等荣誉。
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