2025-03-05 17:46 北京
有望实现多相光催化工业应用的全球第一例。
甲烷是页岩气和可燃冰的主要成分，储量远超目前探明的化石能源的总和，是替代其他化石资源来合成清洁燃料和化学品的理想碳源。在全球追求低碳目标的过程中，如何高效利用甲烷实现洁净燃料和绿色化学品的合成是其中的一个关键抓手。但由于甲烷分子非常稳定，转化起来十分困难，因此甲烷转化一直被认为是化学品生产中的一个圣杯。
传统的热催化技术在化工生产中很常见，但在甲烷转化上遇到一些典型的挑战，包括：1）需要高温高压的反应条件，这会导致反应路径复杂多样，产生很多不需要的副产物，严重影响目标产物的产量和质量；2）高温高压条件使能耗很大，安全性较差；3）同时这个过程常常需要先转化甲烷为一氧化碳（CO），然后再生产其他化学品，这样两步法工序复杂。例如，在将甲烷转化为甲醇的过程中，即使利用两步法，常常会产生多种其他含氧化合物和二氧化碳（ CO2），经济性很差。而且，传统方法在温和条件下很难同时实现高转化率和高选择性，尤其是在生成像乙醇这类需要碳碳键耦合的高价值产物时，挑战更为艰巨。
因此，在近期一项研究中，清华大学唐军旺院士和团队的目标是：开发在温和条件下将甲烷一步转化为更高价值的 C2 产品（如乙醇）的技术，且无需经过 CO 的中间步骤。研究采用了光催化技术，特别是提出了全新的“分子内结”的概念，克服了常规光催化的致命缺点。通过近 10 年的连续研究，成功利用分子内结实现了以下几个关键步骤：调控光生电子和空穴在空间上的分离、催化剂氧化和还原反应位点的物理分离、甲烷和氧气吸附位点的控制，反应中间体和强氧化位点的分离，这些步骤最终实现了甲烷的高转化率以及目标产物的高选择性，一步将甲烷部分氧化高效生成了乙醇。
（来源：Nature）
光催化技术有潜力满足工业界亟需的绿色化工过程，实现清洁燃料和化学品的合成。但要实现这一目标，需要进一步提高效率并推动相关技术发展。从化工产业角度看，这项技术可以改变传统依赖石油和煤作为化工原料的局面，丰富原料来源，减少供应链的风险，推动化工产业向更绿色、更可持续的方向转型。通过利用全球极其丰富的甲烷资源，构建全新的化学合成产业链；而且在油田/煤田伴生气中甲烷资源利用方面，这项技术的应用前景也很广阔。另外，这项技术也可以实现移动式和模块化甲烷转化系统，帮助偏远地区捕获与利用原本被浪费的甲烷废气/沼气，减少温室气体排放，同时将其转化为有价值的化学品。总之，这一研究成果为开发高效稳定的光催化剂提供了重要参考，有望推动光催化技术在甲烷转化和高附加值化学品合成领域的应用进程，对能源与化工产业的可持续发展具有重要意义。
日前，相关论文以《通过分子结光催化剂将甲烷氧化为乙醇》（Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst）为题发在 Nature[1]。
Jijia Xie 是第一作者，英国伦敦大学学院/清华大学唐军旺院士、英国卡迪夫大学 C. 理查德·A·卡特洛（C. Richard A. Catlow）院士、中国科学技术大学黄伟新教授和香港大学郭正晓教授担任共同通讯作者。
图 | 相关论文（来源：Nature）
本研究过程中，研究人员对反应机理进行了十分深入的探究。采用同步辐射 X 射线吸收光谱、荧光光谱、红外光谱、气体吸附、同位素示踪、光电离质谱、电子顺磁共振以及理论模拟等多项互补技术，对 CTF-1 催化剂光生电荷的生成和分离、反应物的吸附和活化、中间体的产生和转化，以及产物的生成和脱附进行了深入而系统的研究。这些多维度的物理和化学表征为反应过程的全面理解提供了有效且互补的佐证，为后续的类似研究提供了很好的参考。特别是本次研究通过来自英国、中国大陆和香港的四所大学的课题组（每个课题组都有若干名成员参与）的高效合作，实现了一种新型含有分子内结的光催化剂的制备和用于高选择性甲烷氧化为乙醇的原创研究。这些成果不但体现了国际合作的重要性，同时也证明了国际合作在人才培养和科学创新方面的高效性。
总的来说，本次研究报道了含有分子内结的聚合物光催化剂能一步高效将甲烷选择性氧化为乙醇。后续会对该材料的光催化机理进行更加深入的研究，特别是对这个催化剂的放大生产及其长催化寿命进行深入研究，为推向实际的工业应用打下坚实的基础。如果成功，有望成为多相光催化实现工业应用的全球第一例。
参考资料：
1.Xie, J., Fu, C., Quesne, M.G.et al. Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08630-x
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