甲烷作为储量最丰富的碳氢化合物，其转化为高附加值化学品的过程受到能源化工领域的广泛关注，被认为是催化技术的“圣杯反应”。传统甲烷转化依赖高温高压环境，需通过CO中间产物进行多步反应，效率低且副产物多，亟待开发可在温和条件进行的高效甲烷转化技术。近日，北京凯发K8娱乐平台招商官方网站化工系唐军旺课题组提出了基于分子内异质结新概念🗃，开发了CTF-1催化剂。通过三嗪单元和苯环单元的协同作用，可在常温常压和光辐照条件下🧎🛑，将甲烷高效地一步转化为乙醇🧋。该技术为天然气资源的高值利用提供了全新途径，不仅有利于摆脱化工生产对石油资源的高度依赖，也可助力碳中和目标的实现。研究由中英五所高校组成的跨国团队近10年高效合作完成，彰显了全球科研协作在破解能源难题中的核心价值。
共价聚合物CTF-1由苯环-三嗪环交替连接形成👳🏼，X射线吸收光谱（XAS）、原位漫反射傅里叶变换红外光谱（DRIFTS）👨🏻🦱、荧光光谱（PL）🦹♀️、密度泛函理论计算（DFT）等多项技术证实，其中的苯环-三嗪交替结构形成分子内异质结，实现光生电子-空穴的高效空间分离，以及底物的选择性活化：三嗪单元富集光生空穴⛹️，通过氢键优先吸附水分子🤽🏻，促进甲烷C-H键活化生成甲基自由基🦓🥷；而苯环单元作为电子富集位点🖕🏿，驱动甲基自由基耦合形成乙烷中间体👐🏻，并通过吸附氧分子实现选择性氧化。这种空间分离特性在实现高效甲烷活化的同时也可抑制其过度氧化。负载3 wt% PtOx的CTF-1可在常温常压和紫外光辐照下，以167.6 μmol h-1的产率将甲烷转化为乙醇，甲烷转化率达到2.3%🐳，乙醇选择性为80%，表观量子效率达9.4%，50小时连续反应乙醇产率基本不变⚔️🎐，同时催化剂结构保持稳定。这一成果为解决传统甲烷转化为高值化学品过程的高能耗问题提供了新途径✨。
图1 CTF-1材料设计以及光催化甲烷选择性制乙醇体系
图2 CTF-1光催化甲烷转化机理研究
图3 CTF-1的长期光催化甲烷转化测试及表观量子效率
此项突破性成果源于中英共五所顶尖学府坚持不懈深度协作。北京凯发K8娱乐平台招商官方网站/伦敦大学学院唐军旺课题组作为核心团队🥀⚾️，主导催化剂的开发、测试及其光物理表征，中国科学技术大学黄伟新团队负责进行催化剂表面物种的原位捕获😦，香港大学郭正晓团队和卡迪夫大学C. Richard A. Catlow团队通过理论模拟和计算等阐释光催化反应机理🚵🫄🏼。通过这种高效的国际合作、跨国科研设施的协同以及技术的互补🙍🏼♂️，陆续攻克了光催化剂中光生电荷分离效率低、活性低、催化剂失活、反应路径复杂难以清晰解释等核心挑战。
多位审稿人对该成果高度评价。审稿人1认为：“本文在甲烷转化至高价值化学品的新材料设计中有重要意义，且该材料表现出很高的选择性🫵。”（In general, I find this work interesting it terms of new material for the oxidation of methane to valuable chemicals. The selectivity achieved is impressive.）另一审稿人认为🪛💧：“本研究中的反应十分具有挑战性的🤸🏽🧝♂️，但急需实现🍈，且能合成高价值化学品。”（This is indeed a challenging and much-needed reaction for the generation of useful compounds,）最后一位审稿人评价到👳♂️：“本次研究结果对广泛受众都具有很重要的意义🧗🏼，而且甲烷选择性活化是个‘梦想反应’，类似于CO2转化和氮气活化。本文作者们报道了一个独一无二的选择性光催化过程🦽。”（The results are of very high relevance to a broad audience. Selective activation of methane is a "dream reaction", similar to, e.g., CO2 reduction or nitrogen activation. The authors report a uniquely selective photocatalytic process.） 且“作者们使用了大量的且相互佐证的方法研究了光物理和光催化的所有可能层面存在的机理🥷🏻，得到结论合理而且十分使人信服。”（The authors use an exceptional number of complementary methods to study all possible aspects of the photophysical and catalytic mechanism. The conclusions are sound and very convincing.）总体而言♟，审稿人均对本文的原创性🧗🏻♂️、科学性🚎、先进性、反应机理和实用性都给予了高度认可，认为该研究在甲烷转化领域具有重要的学术价值和实际应用潜力。此外，《麻省理工科技评论》评价该成果“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”👼，“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”。
相关研究成果以“通过分子结光催化剂实现甲烷氧化制乙醇”（Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst）为题，于1月20日在线发表于《自然》（Nature 2025，639，368-374）✪。
北京凯发K8娱乐平台招商官方网站/伦敦大学学院教授唐军旺为论文主要通讯作者，其他共同通讯作者包括英国卡迪夫大学/伦敦大学学院C. Richard A. Catlow教授🥁、中国科学技术大学黄伟新教授和英国伦敦大学学院/香港大学Zheng Xiao Guo教授🛷，4个课题组都有多名成员参与这个挑战性研究。研究也得到中国国家重点研发计划、国家自然科学基金项目和英国工程与自然研究委员会项目等的支持。
论文链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08630-x
