“六年磨一剑”，唐军旺教授成果登上Nature！

一、【科学背景】

甲烷是天然气和页岩气的主要成分，其储量丰富，远超过其它化石燃料的总和，是化学合成的重要碳源。在温和条件下将甲烷直接部分氧化为液态含氧物是一种有吸引力的途径，但甲烷分子的高度对称性和稳定性使其难以同时实现对单一目标产物的高转化率和高选择性。当需要生成C-C耦合的更有价值的产品时，难度成倍增加。虽然选择性部分甲烷氧化过程通常会产生C₁含氧物，但最近的报告记录了光催化甲烷转化为C₂含氧物乙醇，转化率低，但选择性高。

二、【创新成果】

基于以上背景，伦敦大学学院/清华大学唐军旺教授、英国卡迪夫大学C. Richard A. Catlow院士、中国科学技术大学黄伟新教授和香港大学郭正晓教授等人合作，在Nature发表了题为“Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst”的论文，首次提出分子内结新概念以控制电子和空穴的快速分离，同时在CTF-1聚合物中验证了这个概念。研究表明，具有交替苯和三嗪基序的分子内结光催化剂CTF-1以高选择性和显著提高的转化率驱动甲烷偶联并氧化为乙醇。异质结结构不仅能够在电荷产生后有效和长期地分离电荷，而且能够分别将H₂O和O₂优先吸附到三嗪和苯单元上。这种双位点特征将形成乙烷中间体的C-C偶联与形成•OH自由基的位点分开，从而避免了过度氧化。当负载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生成乙醇，转化率提高，表观量子效率(AQE)高达9.4%。研究人员认为，“分子内结”方法为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。

研究人员采用共价三嗪基骨架(CTF-1)作为光催化剂，CTF-1中的分子内异质结结构由交替的苯和三嗪基序组成，其在温和条件下将甲烷转化为乙醇。

图1  材料设计和实验设置 © 2025 Springer Nature

图2  同位素标记反应物和产物的GC-MS光谱 © 2025 Springer Nature

图3  CTF-1、g-C₃N₄和 TiO₂上的原位原料吸附和产品解吸 © 2025 Springer Nature

图4  CTF-1 的长期光催化甲烷转化 © 2025 Springer Nature

三、【科学启迪】

研究人员开发了由三嗪单元与苯环形成分子内结的聚合物催化剂CTF-1，其通过光催化高选择性将甲烷一步氧化为乙醇。在GHSV为2000 mL h^-1的条件下，65℃下的光催化甲烷转化为乙醇的转化率具有约80%的极高选择性和122.4 μmol h^-1的收率，相当于约6.9%的超高AQE和优异的稳定性。聚合物上的Pt负载进一步将AQE提高到9.4%。这种对乙醇的活性和选择性可以归功于CTF-1独特的分子内异质结结构，它可以实现高效电荷分离、选择性水吸附和可控反应途径，从而抑制过度氧化。研究人员预计，本研究报告的性能和机理见解将激发对“分子内结”的进一步探索，作为选择性和稳定的C-C偶联光催化剂的基础。虽然光催化过程原则上可以满足工业对净零燃料和化学品合成的迫切需求，但这将需要进一步大力发展和提高整体效率。

原文详情：Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst (Nature, 2025, DOI: 10.1038/s41586-025-08630-x)

本文由大兵哥供稿。