Dengan menurunnya cadangan minyak mentah sementara teknologi sumber energi terbarukan masalah dalam tahap pengembangan, pemanfaatan gas metana menjadi sangat penting mengingat ketersediaannya yang masih sangat melimpah di kandungan gas alam yang selama ini hanya dibakar di lokasi penambangan lepas pantai. Namun, karena menyimpan dan mengangkut gas metana untuk jarak jauh memerlukan tangki yang sangat besar dan kuat, perubahan metana pada suhu rendah ke bentuk cair seperti metanol secara langsung di lokasi penambangan menjadi isu yang sangat penting dan hangat. Metanol memiliki potensi yang sangat besar sebagai sumber energi untuk memproduksi hidrogen dan pembawa energi untuk bahan bakar kendaraan atau direct methanol fuel cell (DMFC), serta untuk bahan baku kimia yang memproduksi olefin, hidrokarbon, bensin, dll.
Pada peneltian ini, kami menggunakan simulasi komputer berbasis Density Functional Theory (DFT) untuk menyelidiki mekanisme perubahan metan ke metanol menggunakan beberapa jenis katalis potensial seperti logam atom tunggal dengan penyokong zeolit dan grapena dan memahami faktor-faktor yang dapat meningkatkan performa reaksi dan katalis-katalis ini.
Pada penelitian ini, kami melakukan investigasi komputasional pada dua jenis katalis, yaitu katalis berbasis Cu- dan Ni-zeolit untuk memperdalam wawasan tentang mekanisme overoksidasi CH3OH. Kami mengusulkan beberapa kemungkinan reaksi (lihat gambar di bawah) dan kemudian melakukan kalkulasi untuk memberikan prediksi termodinamikda dan kinetikanya serta memberikan penjelasan mengenai perbedaan yang terjadi. Kami menemukan bahwa reaksi pada Gambar a yang membentuk CH3OH dan C2H6O dapat terjadi dengan termodinamika yang baik, tetapi laju reaksinya diperkirakan lebih rendah dari laju aktivasi CH4. Selaras dengan reaksi sebelumnya, reaksi pada Gambar b sangat eksotermik dengan laju reaksi yang sebanding dengan aktivasi CH4. Sebaliknya, reaksi pada Gambar c secara termodinamik dan kinetik tidak disukai akibat terjadinya okupansi yang lebih awal pada orbital akseptor Ni δ* pada tahap aktivasi ikatan H‒CH2OH, sehingga menghasilkan struktur transisi akhir, di mana salah satu NiII telah direduksi menjadi NiI yang tidak stabil. Secara gamblang, studi telah memberikan diskusi komprehensif tentang mekanisme reaksi overoksidasi dan mengkonfirmasi temuan eksperimental yang melaporkan pentingnya pembentukan CH3O dan keberadaan H2O untuk mendapatkan CH3OH dengan selektivitas tinggi.
Pada penelitian ini, kami mendesain single atom catalyst (SAC) dan diatomic catalyst (DAC) grafena untuk memahami mekanisme konversi metana ke metanol secara komputasional. Terdapat berbagai jenis struktur yang menjadi fokus penelitian diantaranya untuk kelompok SAC terdapat FeN4G-BN, CuN4G-BN dan CoN4G-BN, sementara pada kelompok DAC terdapat 2Fe-N-C, Fe/Cu-N-C, dan 2Cu-N-C. Proses konversi tentunya perlu sebuah oksidan untuk mempersiapkan situs aktif SAC/DAC, dalam penelitian ini kami menggunakan oksigen sebagai oksidan situs aktif.
Pada penelitian ini, kami mengevaluasi permukaan IrO2(110), β-PtO2(110), dan β-MnO2(110) tipe rutil tidak hanya untuk membelah ikatan H–CH3 tetapi juga untuk membentuk metanol. Kami menemukan bahwa IrO2(110) dan β-PtO2(110) secara termodinamika dan kinetik mendukung aktivasi C–H pada terminasi atom μO yang menjembatani melalui jalur heterolitik. Akan tetapi, pembentukan ikatan Ir–C dan Pt–C yang kuat, yang awalnya membantu pemisahan ikatan C–H, menghambat pembentukan metanol. Sebaliknya, dalam kasus β-MnO2(110), interaksi Mn–C cukup lemah, dan situs aktif Mn(μ-O)Mn bersifat elektrofilik, sehingga memungkinkan pembentukan keadaan antara radikal ˙CH3 yang stabil yang menjadi gaya pendorong untuk pemisahan ikatan C–H homolitik berpenghalang rendah serta pembentukan metanol berpenghalang rendah dan sangat eksotermik. Siklus pertama oksidasi metana ini menghasilkan permukaan β-MnO2(110) yang tereduksi, di mana tidak ada lagi situs aktif μ-O yang tersedia untuk siklus aktivasi metana berikutnya. Meskipun demikian, permukaan yang tereduksi ini juga dapat mengoksidasi metana menjadi metanol ketika oksidan H2O2 dimasukkan ke dalam reaksi tengah dan membentuk situs aktif baru μ-OH. Reaksi kedua juga sangat eksotermik meskipun penghalang aktivasi C–H tidak serendah penghalang untuk permukaan stoikiometris yang baru. Penelitian ini menunjukkan permukaan β-MnO2(110) sebagai katalis potensial untuk oksidasi siklik metana menjadi metanol menggunakan oksidan H2O2 tanpa penghentian untuk reaktivasi.