成果展示甲烷（CH4）是天然气和页岩气的主要成分，是化学合成的重要碳源之一。在温和条件下，甲烷直接部分氧化生成液态氧是一种有吸引力的途径，但分子的惰性使得同时实现对单一目标产物的高转化率和高选择性具有挑战性。当瞄准需要C-C耦合的更有价值的产品时，这种困难被放大。选择性部分甲烷氧化过程通常生成C1氧合物，但最近的报道已记录了光催化甲烷转化为C2氧合物乙醇的低转化率，且具有不错的高选择性。基于此，伦敦大学学院/清华大学唐军旺院士、英国卡迪夫大学C. Richard A. Catlow、中国科学技术大学黄伟新教授和香港大学郭正晓院士（共同通讯作者）等人证明了具有苯和三嗪交替基序的分子内结光催化剂CTF-1以高选择性和大大提高的转化率驱动甲烷偶联和氧化成乙醇。异质结结构不仅能使电荷在生成后高效、长时间的分离，还能使水和氧分别优先吸附在三嗪和苯基上。这种双位点特征将C-C偶联从形成羟基自由基（•OH）的位点分离成乙烷中间体，从而避免了过度氧化。当负载铂（Pt）以进一步提高性能时，分子异质结光催化剂在填充床流动反应器中产生乙醇，转化率提高，表观量子效率达到9.4%。作者预计，进一步发展“分子内连接”方法将为C-C偶联提供高效和选择性的催化剂，包括但不限于甲烷转化为C2+化学品。在2025年1月20日，相关工作以《Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst》为题发表在最新一期《Nature》上。唐军旺教授，在光和热耦合催化活化小分子（包括合成绿氨，水分解制氢，甲烷转化，二氧化碳转化为高级化学品等），新型催化材料,以及微波催化塑料循利用方面具有多年的研究经验和丰富的成果。同时利用多种时间分辨光谱来观察光热多能耦合催化反应的动力学。他是欧洲科学院院士（Academia Europaea）,英国科学院-利弗休姆资深研究员，比利时欧洲科学院院士（Fellow of European Academy of Sciences），英国皇家化学会会士（Fellow of RSC)和国际材料和矿物协会会士（Fellow of IOM3），中国化学会荣誉会士等。曾任英国伦敦大学学院材料中心主任和化工系正教授，兼任全英华人正教授协会副主席，欧美同学会海外理事等社会职务。目前是清华大学化工系讲席教授和工业催化中心首任主任。已在国际杂志Nature Catalysis, Nature Energy, Nature Materials等催化和化学领域期刊发表了>250篇文章。科睿唯安多年高被引科学家。同时是5个国际杂志的主编/编辑或者副主编，包括Applied Catalysis B, Chin J. Catal.（催化学报）等。图文解读CTF-1是一种基于共价三嗪的骨架材料，其拥有由交替的三嗪和苯单元构成的分子内结。理论计算发现，CTF-1的三嗪单元可以积累光生空穴，从而直接或间接活化甲烷C-H键形成甲基自由基。苯环单元不仅有助于光生电子的高效分离与积累，还具有对甲基自由基最有利的吸附位点，促使其在苯环上偶联。从理论上为C-C偶联创造了有利条件，生成的甲基物种可迁移至苯单元上偶联，避免了在三嗪单元上被光生空穴进一步氧化。同时，氧气在苯环上被还原，进一步和乙烷反应生成乙醇。图1. 材料设计和实验装置图2. CTF-1光催化选择性氧化甲烷过程中同位素标记反应物和产物的GC-MS光谱图3. CTF-1、g-C3N4和TiO2对原料的原位吸附和产物解吸图4. CTF-1的长时间光催化甲烷转化性能文献信息Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst. Nature, 2025, DOI: https://doi.org/10.1038/s41586-025-08630-x.
