光热催化新突破：Cu9S5/Cu-CCN实现高效太阳能驱动甲烷氧化制乙醇
在科研的不断探索中，一项关于光热催化转化的新成果近日由中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的徐勇研究员课题组取得。他们成功开发了一种由Cu9S5和Cu单原子共同修饰的结晶氮化碳（Cu9S5/Cu-CCN）催化剂，这一创新设计不仅将光热效应与光化学催化巧妙地整合在一起，还实现了高效太阳能驱动甲烷（CH4）氧化制乙醇（C2H5OH）的突破。
面对全球能源危机和环境问题的双重挑战，将甲烷这种主要的温室气体转化为高附加值化学品，一直是科研人员关注的热点。然而，由于甲烷的化学惰性和光生电子-空穴对的严重复合，其光催化转化效率的提升一直是个难题。徐勇研究员课题组针对这一难题，提出了全新的解决方案。
他们巧妙地引入了窄带隙半导体Cu9S5，这种材料不仅具有优异的光热转换能力，能将部分太阳能转化为热能，还能作为光催化组分参与反应。通过与Cu单原子的结合，Cu9S5和Cu单原子在催化剂体系中分别扮演了光热转化组分和光催化组分的角色，实现了光热效应与光化学催化的有效整合。
这一整合不仅充分利用了太阳能光谱，还提升了催化剂的局域温度，显著促进了光驱动甲烷转化为乙醇的过程。同时，Cu9S5和Cu单原子的引入还实现了光还原反应位点和光氧化反应位点的空间分离，促进了光生电子-空穴对的可持续迁移和分离，进一步提高了催化效率。
原位表征实验和理论计算的结果表明，Cu9S5/Cu-CCN催化剂在反应过程中表现出了出色的性能。Cu单原子作为电子受体，将氧气（O2）还原为∙OOH/∙OH自由基；而Cu9S5则作为空穴受体和局域热点，促进了甲烷的吸附、C-H活化和C-C偶联。此外，Cu9S5/Cu-CCN还能优化甲烷的吸附/活化和乙醇的脱附过程，并通过稳定∙CH3和∙CH2O中间体降低C-C偶联能垒。
最终，在徐勇研究员课题组的努力下，Cu9S5/Cu-CCN催化剂在光驱动甲烷转化生成乙醇的反应中取得了令人瞩目的成果。乙醇的产率达到了549.7 μmol g-1 h-1，选择性高达94.8%，在420 nm处的表观量子效率也达到了0.9%。这一成果不仅为甲烷的高效转化提供了新的途径，也为太阳能的利用和环境保护做出了重要贡献。
综上所述，本文通过构建Cu9S5/Cu-CCN成功实现光催化和光热效应的结合。实验观察和机理研究表明，Cu9S5和Cu单原子分别作为空穴受体和电子受体，显著促进光生电子-空穴对的分离。
Figure 5. Mechanism investigation and DFT calculation. a, b, In-situ EPR spectra of ∙OOH (a) and ∙OH (b)radicals trapped by DMPO over Cu9S5/Cu-CCN, Cu-CCN and CCN under light irradiation. c, In-situ ATR-FTIR spectra of photocatalytic CH4 oxidation over Cu9S5/Cu-CCN during light irradiation from 0 to 110 min. d
