我國科學家實現甲烷向乙醇的高效轉化

記者24日從清華大學獲悉，該校工業催化中心唐軍旺課題組開發了一種新型分子結光催化劑，能夠將甲烷高效氧化為乙醇。相關研究成果已在線發表于《自然》。

甲烷是天然氣和頁巖氣的主要成分，也是化學合成的重要碳源。將甲烷部分氧化為多碳化合物，是實現我國天然氣資源高價值利用、推動能源化工低碳轉型的重要技術路徑。然而，甲烷分子的高度對稱性和穩定性使得甲烷轉化反應的活性較低。而且，傳統甲烷轉化依賴高溫高壓環境，需要通過一氧化碳中間產物進行多步反應，效率低且副產物多。在這種情況下，為了高效利用甲烷，實現潔凈燃料和綠色化學品的合成，研究人員亟待開發可在溫和條件下進行的甲烷轉化技術。

“我們的研究目標是，開發在溫和條件下將甲烷一步轉化為更高價值的碳二產品（如乙醇）的技術，且不需要經過一氧化碳的中間步驟。”唐軍旺說。

為此，研究團隊采用了一種分子內結光催化劑——CTF-1，其交替的苯環和三嗪基團能夠將甲烷偶聯并氧化為乙醇，顯著提高選擇性和轉化率。

唐軍旺表示，這種異質結結構不僅能夠實現電荷生成后的高效且持久分離，還能使水分子和氧分子分別優先吸附在三嗪單元和苯單元上。

歷經近十年的連續研究，唐軍旺研究團隊成功利用“分子內結”實現了多個關鍵步驟的突破，包括調控光生電子和空穴在空間上的分離、催化劑氧化和還原反應位點的物理分離、甲烷和氧氣吸附位點的控制、反應中間體和強氧化位點的分離。

唐軍旺說：“這些步驟最終實現了甲烷的高轉化率以及目標產物的高選擇性，可以一步將甲烷部分氧化并高效生成乙醇。”

據了解，這一研究成果為開發高效穩定的光催化劑提供了重要參考，有望推動光催化技術在甲烷轉化和高附加值化學品合成領域的應用進程，對能源與化工產業的可持續發展具有重要意義。