太阳能催化剂将甲烷转化为有价值的化学品

在伦敦大学学院的合作者的共同努力下，香港大学(HKU)化学系的ZhengxiaoGuo教授和清华大学化学工程系的JunwangTang教授共同开发了一种高活性和选择性催化材料，可以有效地将甲烷(一种强效温室气体)转化为甲醛，一种无废物的基本化学品。

这种源自三氧化钨(WO3催化剂)的创新材料具有双活性位点，包括铜和钨原子种类，它们协同工作以确保有效和选择性的转化过程。该转化过程可在可见光下实现近100%的选择性，从而避免产生不需要的副产物并提高效率，使其成为当前生产方法的环保替代品。研究结果刚刚发表在《自然通讯》杂志上。

变不变：甲烷转化

甲烷是天然气的主要成分，是许多化学品广泛使用的碳源。尽管如此，它还是一种强效温室气体，其全球变暖潜能值是二氧化碳的70多倍。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机会。

然而，甲烷是一种极其稳定的分子，使其不易活化，尤其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视为催化中最难以捉摸的“圣杯”之一。

另一方面，甲醛是一种大宗商品化学品，市值为80亿美元，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，是三聚氰胺、脲醛树脂和酚醛树脂等的重要前体。甲醛还安全地用于制造疫苗、抗感染药物和硬胶囊。目前，它是在超过500°C–600°C的高反应器温度下使用银或金属氧化物催化剂通过甲醇氧化-脱氢生产的，导致大量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，该团队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，原子级分散的铜和部分还原的钨物质在氧化钨上的混合物效果非常好——这种协同作用的整体能够在环境可见光下将甲烷出色地光催化转化为甲醛。该工艺表现出接近100%的选择性和高转化效率，显着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。具体而言，铜充当电子受体并促进光诱导电子从导带转移到分子氧，从而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。水的优选吸附和活化位点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过程。

“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可取的。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，精心设计催化剂和互补技术来确认其性能——这是一个需要强大协作奉献的多学科任务的好例子。这正是团队设法做到的——并产生了很多增值成果，”通讯作者之一郭正晓教授说的纸。