一、年磨牛【科學背景】
甲烷是劍唐軍旺教授天然氣和頁巖氣的主要成分，其儲量豐富，成果材料遠超過其它化石燃料的登上總和，是年磨牛化學合成的重要碳源。在溫和條件下將甲烷直接部分氧化為液態含氧物是劍唐軍旺教授一種有吸引力的途徑，但甲烷分子的成果材料高度對稱性和穩定性使其難以同時實現對單一目標產物的高轉化率和高選擇性。當需要生成C-C耦合的登上更有價值的產品時，難度成倍增加。年磨牛雖然選擇性部分甲烷氧化過程通常會產生C1含氧物，劍唐軍旺教授但最近的成果材料報告記錄了光催化甲烷轉化為C2含氧物乙醇，轉化率低，登上但選擇性高。年磨牛
二、劍唐軍旺教授【創新成果】
基于以上背景，成果材料倫敦大學學院/清華大學唐軍旺教授、英國卡迪夫大學C. Richard A. Catlow院士、中國科學技術大學黃偉新教授和香港大學郭正曉教授等人合作，在Nature發表了題為“Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst”的論文，首次提出分子內結新概念以控制電子和空穴的快速分離，同時在CTF-1聚合物中驗證了這個概念。研究表明，具有交替苯和三嗪基序的分子內結光催化劑CTF-1以高選擇性和顯著提高的轉化率驅動甲烷偶聯并氧化為乙醇。異質結結構不僅能夠在電荷產生后有效和長期地分離電荷，而且能夠分別將H2O和O2優先吸附到三嗪和苯單元上。這種雙位點特征將形成乙烷中間體的C-C偶聯與形成?OH自由基的位點分開，從而避免了過度氧化。當負載Pt以進一步提高性能時，分子異質結光催化劑在填充床流動反應器中生成乙醇，轉化率提高，表觀量子效率(AQE)高達9.4%。研究人員認為，“分子內結”方法為C-C偶聯提供高效和選擇性的催化劑，包括但不限于甲烷轉化為C2+化學品。
研究人員采用共價三嗪基骨架(CTF-1)作為光催化劑，CTF-1中的分子內異質結結構由交替的苯和三嗪基序組成，其在溫和條件下將甲烷轉化為乙醇。
圖1 ?材料設計和實驗設置???2025?Springer Nature
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圖2 ?同位素標記反應物和產物的GC-MS光譜???2025?Springer Nature
圖3 ?CTF-1、g-C3N4和 TiO2上的原位原料吸附和產品解吸???2025?Springer Nature
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圖4 ?CTF-1 的長期光催化甲烷轉化???2025?Springer Nature
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三、【科學啟迪】
研究人員開發了由三嗪單元與苯環形成分子內結的聚合物催化劑CTF-1，其通過光催化高選擇性將甲烷一步氧化為乙醇。在GHSV為2000 mL h-1的條件下，65℃下的光催化甲烷轉化為乙醇的轉化率具有約80%的極高選擇性和122.4?μmol h-1的收率，相當于約6.9%的超高AQE和優異的穩定性。聚合物上的Pt負載進一步將AQE提高到9.4%。這種對乙醇的活性和選擇性可以歸功于CTF-1獨特的分子內異質結結構，它可以實現高效電荷分離、選擇性水吸附和可控反應途徑，從而抑制過度氧化。研究人員預計，本研究報告的性能和機理見解將激發對“分子內結”的進一步探索，作為選擇性和穩定的C-C偶聯光催化劑的基礎。雖然光催化過程原則上可以滿足工業對凈零燃料和化學品合成的迫切需求，但這將需要進一步大力發展和提高整體效率。
原文詳情：Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst?(Nature,?2025, DOI: 10.1038/s41586-025-08630-x)
本文由大兵哥供稿。
