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第一作者：郝书雅
通讯作者：韩庆，郑耿锋
通讯单位：复旦大学
论文DOI：https://doi.org/10.1021/acscatal.4c05009
甲烷既是一种温室气体，也是一种丰富的C1资源。选择性光催化甲烷升级为多碳（C2+）化学品，既能缓解温室效应，又能提高甲烷的利用率和价值。其中 C-C 偶联步骤是生产多碳产品的关键。要在常温常压条件下实现这一目标需要有效激活甲烷中的C-H键，以及平衡各种自由基和C1中间体的吸附和解吸，以促进有效的 C-C 偶联。在本综述中，我们深入探讨甲烷光催化升级为C2+产品的最新进展。首先强调了催化剂设计的重要性，包括活性位点的协同、价态的重构和晶面定制。然后，我们讨论了二氧化碳和一氧化碳作为共反应物，以增长碳链的反应途径。此外，我们还总结了应用循环系统和光电催化促进多碳产物生成的发展。最后，我们对光催化甲烷增值转化技术的未来发展进行了展望。本综述旨在为光催化甲烷的C-C 偶联反应以获得多碳产物的研究提供一个总体框架，从而为环境友好和高效的甲烷升级策略提出未来的研究方向。本文探讨了如何通过光催化技术将甲烷这一温室气体转化为多碳化学品，既减轻了温室效应，又提升了甲烷的能源利用价值和化学转化效率。本文强调了催化剂设计在提高光催化甲烷升级效率中的核心作用，包括活性位点的组装、晶面调控和价态重构，这些策略对于提高光催化反应的效率和选择性至关重要。本文讨论了引入二氧化碳和一氧化碳等共反应物来增强甲烷的碳链增长路径，以及通过循环系统和光电耦合技术优化反应条件，这些方法为提高光催化甲烷升级的选择性和效率提供了新的思路。光催化能够产生光生载流子，激活惰性甲烷分子，降低反应活化能，推动甲烷的选择性升级。这些特性为利用太阳能将甲烷转化为多碳产品带来了广阔的发展前景。在过去几年中，光催化剂的设计以及反应体系的创新一直是甲烷光催化氧化的重点，并在不同产品方面取得了重大进展。随着新的原位表征和理论发现的积累，毫无疑问，人们的认识将继续加深。然而，我们想强调光催化将甲烷升级为长链碳氢化合物的可能性和前景。从催化剂设计的角度来看，有必要确保催化剂的能带结构能够同时满足甲烷和氧化剂（如O2、水或CO/CO2）的活化能力。从氧化方面来看，光催化剂的价带位置决定了光生空穴的氧化能力。目标多碳产物可能有不同或相同的中间产物。它们的活性位点应相互分离，以避免吸附竞争，但也不应相距太远，这有利于对称或不对称耦合反应途径的延续。同样重要的是，氧化剂的活化作用不能太强，以避免甲烷快速、无选择性地过度氧化为CO或CO2。同时，氧化和还原反应的位点需要很好地分离，以促进电子-空穴分离，这可以通过设计表面尖端以诱导界面电场来加强。此外，还可以在催化剂表面添加疏水层，或通过引入具有丰富官能团的添加剂来增加局部的甲烷浓度。还可以设计分子催化剂或离子液体，将反应体系从三相界面简化为两相界面，以增加甲烷的溶解度或吸附力，从而促进反应。从反应条件的角度来看，可以同时引入电能、磁能、超声波能或热能来激活催化剂或甲烷，以实现选择性氧化。改变反应液的极性或状态（如转化为微小液滴）以增加甲烷的溶解度并激活甲烷氧化反应也是可行的。此外，还可以扩大可能的共反应底物的种类，生成更长的碳链和更复杂的产物，甚至是药物分子或氨基酸。Photocatalytic CH4 upgrading to multi-carbon products.（https://doi.org/10.1021/acscatal.4c05009）郑耿锋，复旦大学近思讲席教授、博士生导师、国家杰出青年科学基金获得者、教育部青年长江学者、中国化学会青委会委员。2000年本科毕业于复旦大学化学系，2007年获得美国哈佛大学物理化学博士学位，之后在美国西北大学进行博士后研究，2010年起在复旦大学先进材料实验室工作。从事纳米功能材料的设计合成，及其在催化和生物器件方面的应用。曾获得Clarivate全球高被引科学家（2018-2023）、中国化学会无机化学-纳米研究奖、中国化学会青年化学奖、宝钢基金会优秀教师奖、教育部拔尖计划优秀导师奖、上海市东方学者特聘教授、上海市五四青年奖章、Nano Research Young Innovators Award in Nano Energy等荣誉。课题组网站：http://www.nanolab.fudan.edu.cn/欢迎关注我们，订阅更多最新消息![]()
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