阳光驱动的催化剂将甲烷转化为有价值的化学品

香港大学化学系郭正晓教授和清华大学化学工程系唐俊旺教授与伦敦大学学院的合作者共同努力，共同开发了一种高活性和选择性的催化材料，可以有效地转化甲烷，一种强大的温室气体， 变成甲醛，一种无废物的必需化学物质。

这种创新材料源自三氧化钨(WO3催化剂)，具有由铜和钨原子组成的双活性位点，它们协同工作以确保有效和选择性的转化过程。转化过程在可见光下可实现近100%的选择性，避免了不需要的副产物并提高了效率，使其成为当前生产方法的环保替代方案。研究结果刚刚发表在《自然通讯》杂志上。

更改不变：甲烷转换

甲烷是天然气的主要成分，是许多化学品广泛使用的碳源。然而，它也是一种强效温室气体，其全球变暖潜能值是二氧化碳的70倍以上。因此，甲烷的催化转化(将甲烷转化为其他化学品)为实现净零能源和化学品供应，同时解决环境问题提供了巨大的机会。

然而，甲烷是一种极其稳定的分子，使其能够抵抗活化，特别是在温和或环境条件下。因此，在甲烷转化中实现高活性和选择性是一项重大挑战，分子间碳氢键的选择性活化通常被许多化学家认为是催化中最难以捉摸的“圣杯”之一。

另一方面，甲醛是一种大批量商品化学品，市场价值为8亿美元，复合年增长率(CAGR)为5.7%。它用于家用、商业、航空、医疗和汽车产品，并作为三聚氰胺、脲醛和酚醛树脂等有价值的前体。甲醛还安全地用于制造疫苗、抗感染药物和硬凝胶胶囊。目前，它是通过使用银或金属氧化物催化剂在超过500°C-600°C的高反应器温度下通过甲醇氧化脱氢生产的，导致大量的二氧化碳排放和能源损失。

利用阳光转化甲烷

在他们的研究中，研究小组发现了一种利用阳光将甲烷气体转化为甲醛的新方法。他们发现，原子分散的铜和部分还原的钨物种在氧化钨上的混合物效果非常好 - 协同集合能够在环境可见光下实现特殊的光催化甲烷转化为甲醛。该工艺表现出近100%的选择性和高转化效率，显著优于先前报道的光催化剂(周转频率，TOF = 8.5×106μmol (HCHO)·g-1(助催化剂)·h-1).

通过机理分析，他们发现铜有助于移动电子并产生反应性分子物种，而钨有助于激活甲烷气体。具体来说，铜充当电子受体并促进光诱导电子从导带到双氧的转移，产生活性氢过氧自由基(HOO·)。同时，具有部分正电荷的相邻钨原子充当空穴受体。优选的吸附活化位点是水产生羟基自由基，并有效地将甲烷活化为甲基自由基。相邻双活性位点的协同作用大大提高了转化过程的整体效率和选择性。

这一发现为进一步研究和开发用于各种化学转化的新型光催化剂铺平了道路，促进了化学工业中更可持续和高效的工艺。

“甲烷的太阳能转化对于低碳和高附加值的化学合成都是非常理想的。然而，产品选择性和生产效率是成功的关键。这需要深入了解转化机制，仔细设计催化剂，以及确认其性能的互补技术——这是需要强烈协作奉献精神的多学科任务的一个很好的例子。这正是该团队设法做到的 - 具有很大的增值结果，“该论文的通讯作者之一ZhengXiaoo Guo教授说。

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