FIE 分子内结调控的甲烷光氧化制乙醇

  甲烷作为天然气和页岩气的主要成分，在化工合成中具备极其重大价值，但其惰性特性使其高效利用面临挑战。传统热催化和催化转化方法常常要反应条件，且对乙醇等高的附加价值产物的选择性较低。相比之下，光催化技术通过利用太阳能驱动甲烷氧化为乙醇（COH），不仅反应条件温和，还能直接生成兼具燃料和工业溶剂功能的乙醇，为可持续能源转化提供了新思路。然而，甲烷分子中强CH键的活化及反应路径的选择性控制仍是该领域的核心难题。

  针对以上问题，清华大学唐军旺课题组设计了一种新型共价三嗪框架光催化剂（CTF-1），其独特的分子内异质结构为甲烷选择性氧化提供了创新解决方案。CTF-1由苯环和三嗪单元交替排列构成，通过分子内电子调控实现了电荷载流子的高效分离。具体而言，三嗪单元优先稳定空穴，而苯环单元则富集光生电子。这种空间分离显著延长了电荷载流子的寿命，从而提升光催化活性。进一步研究表明，CTF-1的双位点吸附机制在反应选择性中起关键作用：三嗪单元吸附水分子生成羟基自由基（OH），用于活化甲烷CH键并产生甲基自由基（CH3），而苯环单元吸附氧气（O2），参与后续偶联反应生成乙醇。这种空间隔离有效抑制了中间体的过氧化，避免了传统催化中常见的二氧化碳副产物生成。

  实验表明，CTF-1在填充床流动反应器中的性能显著优于二氧化钛（TiO2）和石墨相氮化碳（g-C3N4）等传统光催化剂。通过引入PtOx纳米颗粒作为助催化剂，CTF-1的表观量子效率（AQE）提升至9.4%，甲烷转化率和乙醇选择性均达到较高水准。优化反应条件时，研究团队系统调节了甲烷与氧气的比例及光照波长，发现特定波长下光生载流子的生成速率与反应活性呈正相关。此外，同位素标记实验（13C-CH4和18O2）证实，乙醇中的碳源完全来自甲烷，氧原子则来源于分子氧而非水，这一结果明确了反应路径中O2的关键作用。稳定性测试显示，CTF-1在连续运行50小时后仍保持结构完整性和催化性能，展现出良好的工业化应用潜力。

  文章进一步探讨了未来光催化甲烷转化的研究方向。在材料设计层面，将金属有机框架（MOFs）或共价有机框架（COFs）和半导体材料复合，有望通过协同效应增强光吸收和电荷传输效率。反应器工程方面，连续流动微反应器可通过稳态环境减少中间体积累，结合优化光分布系统，可逐步提升选择性和能源效率。此外，整合可再次生产的能源驱动光催化过程，将有利于降低碳足迹，推动绿色化学合成。

  CTF-1催化剂通过分子内结的精准设计，实现了电荷分离与反应位点空间分布的协同调控，为甲烷定向转化提供了新范式。未来，跨学科合作将加速光催化剂设计与反应器技术的融合，推动甲烷高效转化为高值化学品的潜力。

  承担基金委杰出青年基金、基金委面上项目、基金委联合基金、基金委优秀青年基金和国家重点研发计划“纳米科技”重点专项项目等；入选安徽省首届优秀青年科学技术人才(2022)、英国皇家化学会会士(2019)、中科院青促会优秀会员(2019)、教育部青年长江学者(2016)和新世纪优秀人才支持计划(2013)等。

  作为第一完成人获安徽省科技奖一等奖(自然科学类，2019年)，还获中国化学会赢创杰出青年科学家奖(2022)、中国化学会青年化学奖(2016)、中国化学会纳米化学新锐奖(2016)和中科院卢嘉锡青年人才奖(2015)等。

  Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。

  Frontiers in Energy免收版面费，且对于录用的文章无偿提供语言润色以保障出版质量。进入外审的稿件（不包括评论、新闻热点等短文），第一轮审稿周期约30天，从审稿到录用平均60天。

  由教育部主管、高等教育出版社主办的《前沿》（Frontiers）系列英文学术期刊，于2006年正式创刊，以网络版和印刷版向全球发行。系列期刊包括基础科学、生命科学、工程技术和人文社会科学四个主题，是我国覆盖学科最广泛的英文学术期刊群，其中12种被SCI收录，其他也被A&HCI、Ei、MEDLINE或相应学科国际权威检索系统收录，具有一定的国际学术影响力。系列期刊采用在线优先出版方式，保证文章以最快速度发表。

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