记者24日从清华大学获悉，该校工业催化中心唐军旺课题组开发了一种新型分子结光催化剂，能够将甲烷高效氧化为乙醇。相关研究成果已在线发表于《自然》。
甲烷是天然气和页岩气的主要成分，也是化学合成的重要碳源。将甲烷部分氧化为多碳化合物，是实现我国天然气资源高价值利用、推动能源化工低碳转型的重要技术路径。然而，甲烷分子的高度对称性和稳定性使得甲烷转化反应的活性较低。而且，传统甲烷转化依赖高温高压环境，需要通过一氧化碳中间产物进行多步反应，效率低且副产物多。在这种情况下，为了高效利用甲烷，实现洁净燃料和绿色化学品的合成，研究人员亟待开发可在温和条件下进行的甲烷转化技术。
“我们的研究目标是，开发在温和条件下将甲烷一步转化为更高价值的碳二产品（如乙醇）的技术，且不需要经过一氧化碳的中间步骤。”唐军旺说。
为此，研究团队采用了一种分子内结光催化剂——CTF-1，其交替的苯环和三嗪基团能够将甲烷偶联并氧化为乙醇，显著提高选择性和转化率。
唐军旺表示，这种异质结结构不仅能够实现电荷生成后的高效且持久分离，还能使水分子和氧分子分别优先吸附在三嗪单元和苯单元上。
历经近十年的连续研究，唐军旺研究团队成功利用“分子内结”实现了多个关键步骤的突破，包括调控光生电子和空穴在空间上的分离、催化剂氧化和还原反应位点的物理分离、甲烷和氧气吸附位点的控制、反应中间体和强氧化位点的分离。
唐军旺说：“这些步骤最终实现了甲烷的高转化率以及目标产物的高选择性，可以一步将甲烷部分氧化并高效生成乙醇。”
据了解，这一研究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。
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