由于單一光化學(xué)過程中能量/質(zhì)量傳遞緩慢和化學(xué)驅(qū)動(dòng)力不足，光催化甲烷（CH₄）升級(jí)為高附加值化學(xué)品具有重大意義，特別是C₂產(chǎn)物，但也是一個(gè)挑戰(zhàn)。

2024年12月1日，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所徐勇研究員、廈門大學(xué)黃小青教授、西安交通大學(xué)劉茂昌教授在國際頂級(jí)期刊Nature Communications發(fā)表題為《Selective light-driven methane oxidation to ethanol》的研究論文，薛飛、張春陽、程誠為論文共同第一作者，徐勇研究員、黃小青教授、劉茂昌教授為論文共同通訊作者。

徐勇，中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所研究員。2013年于中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)獲得博士學(xué)位（意大利國家核物理研究院Frascati國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合培養(yǎng)）。2014-2017年在蘇州大學(xué)從事博士后研究（美國勞倫斯伯克利國家實(shí)驗(yàn)室聯(lián)合培養(yǎng)）；2017-2020年任蘇州大學(xué)副教授；2020-2023年任廣東工業(yè)大學(xué)教授；2024年加入蘇州納米所任研究員。

徐勇研究員以貴金屬催化劑的設(shè)計(jì)與開發(fā)為基礎(chǔ)，圍繞催化劑可控合成、活性中心結(jié)構(gòu)調(diào)控及催化劑構(gòu)效關(guān)系探索等方面開展了系統(tǒng)研究。迄今已發(fā)表論文120余篇，其中包括Nature Synthesis、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等。

黃小青，廈門大學(xué)化學(xué)化工學(xué)院教授，國家杰青。2005年本科畢業(yè)于西南師范大學(xué)（現(xiàn)西南大學(xué)），2011年在廈門大學(xué)獲博士學(xué)位，導(dǎo)師：鄭南峰教授、鄭蘭蓀教授。2011-2014年在美國加州大學(xué)洛杉磯分校從事博士后研究，合作導(dǎo)師：黃昱教授和段鑲鋒教授，2014年至今先后就職于蘇州大學(xué)、廈門大學(xué)。

黃小青教授的研究興趣為貴金屬納米材料的精準(zhǔn)制備及其電、熱、光催化應(yīng)用研究。

劉茂昌，西安交通大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院教授，國家級(jí)青年人才。2007年、2014年獲西安交通大學(xué)學(xué)士和博士學(xué)位（博士導(dǎo)師：郭烈錦院士），攻博期間赴美留學(xué)，在圣路易斯華盛頓大學(xué)和佐治亞理工學(xué)院做聯(lián)合培養(yǎng)博士，師從華人科學(xué)家夏幼南院士。

劉茂昌教授一直致力于太陽能-氫/碳?xì)淙剂系母咝У统杀巨D(zhuǎn)化基礎(chǔ)理論的研究以及相應(yīng)催化材料、體系和系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與開發(fā)。截至2023年5月，在Nature Energy、Nature Commun、PNAS、Energy Environ. Sci.等國際知名期刊發(fā)表SCI一作/通訊作者論文60余篇。

在此，作者在Cu₉S₅和Cu單原子（Cu₉S₅/Cu-CCN）修飾的晶體氮化碳（CCN）上實(shí)現(xiàn)了太陽能驅(qū)動(dòng)的CH₄氧化為乙醇（C₂H₅OH）。

光熱效應(yīng)和光催化的結(jié)合克服了CH₄轉(zhuǎn)化為C₂H₅OH的瓶頸，其中Cu₉S₅成為將太陽能轉(zhuǎn)化為熱能的熱點(diǎn)。

原位表征表明，Cu單原子作為O₂還原為·OOH/·OH的電子受體，而Cu₉S₅作為空穴受體和CH₄吸附、C-H活化和C-C偶聯(lián)的位點(diǎn)。密度泛函理論（DFT）計(jì)算表明，Cu₉S₅/Cu-CCN通過穩(wěn)定·CH₃和·CH₂O來降低C-C耦合能壘。

更為重要的是，C₂H₅OH的產(chǎn)率達(dá)到549.7 μmol g^-1 h^-1，選擇性為94.8%，表觀量子效率為0.9%（420 nm）。

這項(xiàng)工作為CH₄轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品提供了一條可持續(xù)的途徑。

圖1：Cu₉S₅/Cu-CCN的合成和電子顯微鏡表征

圖2：結(jié)構(gòu)表征

圖3：甲烷氧化性能

圖4：光驅(qū)動(dòng)甲烷氧化的機(jī)理研究

圖5：機(jī)理研究和密度泛函理論（DFT）計(jì)算

綜上，該論文研究了通過光催化技術(shù)將甲烷（CH₄）選擇性氧化為乙醇（C₂H₅OH），開發(fā)了一種基于硫化銅（Cu₉S₅）和銅單原子修飾的晶體氮化碳（Cu₉S₅/Cu-CCN）的光催化劑。研究成功實(shí)現(xiàn)了太陽能驅(qū)動(dòng)的甲烷到乙醇的轉(zhuǎn)化，展現(xiàn)了高效的光熱效應(yīng)和光催化性能，具有重要的能源和環(huán)境意義。

這不僅為甲烷轉(zhuǎn)化提供了一種可持續(xù)的途徑，有助于減少溫室氣體排放和實(shí)現(xiàn)碳中和，而且對(duì)化學(xué)工業(yè)、能源轉(zhuǎn)換、材料科學(xué)等領(lǐng)域的研究和應(yīng)用具有重要的推動(dòng)作用，展示了在溫和條件下從甲烷制備C²⁺含氧化物的選擇性催化的新途徑。

Xue, F., Zhang, C., Cheng, C.?et al. Selective light-driven methane oxidation to ethanol.?