在推动可持续能源解决方案方面，一个国际合作的科学家团队在低碳化学转换中取得了重要里程碑。在他们最近发表在《自然》杂志上的论文中，由香港大学化学系的郭正晓教授、中国科学技术大学的黄伟新教授、伦敦大学学院的理查德·卡特洛教授和清华大学的唐俊旺教授共同领导的团队，发现了一种光催化方法，可以将甲烷转化为乙醇，选择性高达约80%，在一次实验中甲烷转化率为2.3%，使用的是填充床流反应器。该系统实现了令人印象深刻的表观量子效率（AQE）为9.4%，测量其在特定波长条件下将入射光子有效转化为参与反应的电子的能力。
在推动可持续能源解决方案方面，一个国际合作的科学家团队在低碳化学转换中取得了重要里程碑。在他们最近发表在《自然》杂志上的论文中，由香港大学化学系的郭正晓教授、中国科学技术大学的黄伟新教授、伦敦大学学院的理查德·卡特洛教授和清华大学的唐俊旺教授共同领导的团队，发现了一种光催化方法，可以将甲烷转化为乙醇，选择性高达约80%，在一次实验中甲烷转化率为2.3%，使用的是填充床流反应器。该系统实现了令人印象深刻的表观量子效率（AQE）为9.4%，测量其在特定波长条件下将入射光子有效转化为参与反应的电子的能力。
背景
乙醇众所周知是许多庆祝活动中的重要饮品，但更重要的是，它作为理想的液态氢载体和用于碳中和的广泛应用的化学原料。全球乙醇市场超过1000亿美元，目前的复合年增长率（CAGR）约为7%。甲烷是天然气和页岩气的主要成分，通常用于加热。尽管它作为化学合成的碳源具有潜力，但其固有的化学惰性为其高效转化带来了实质性障碍。
传统工业甲烷转化通常通过合成气在高温和高压下进行，该过程能耗高且产品选择性差。直接将甲烷转化为乙醇的努力通常在控制高选择性的碳-碳（C-C）偶联以产生特定的C2+化学品（如乙醇）时遇到挑战。
创新催化转化
通过形成在共价三嗪框架（CTF-1）聚合物中交替苯和三嗪单元之间的独特分子内连接，实现高效转化。分子内连接增强了光生电荷的寿命和有效分离，同时促进了O2和H2O优先吸附在苯和三嗪单元上，以促进C-C偶联。此外，这种本质上不对称的双位点特征有效地将C-C偶联位点与羟基自由基产生位点区分开，从而降低了将中间体过氧化转化为CO2和水的风险。当进一步通过添加铂增强时，分子内连接光催化剂显示出非常有前景的乙醇生产率，如上所述。
“这是甲烷光催化转化为增值绿色化学品的一个突破性进展——不仅在于新识别的无金属‘分子内连接’用于有效的C-C偶联；而且将甲烷转化为在常温下相对高效的更理想的液态化学品，”论文的通讯作者之一郭教授表示。
与传统方法的比较
传统上，像费希尔-特罗普施合成一样，甲烷转化为液态化学品需要高温（>700摄氏度）和压力（约20巴）以激活其C-H键，涉及高能耗和多个步骤。之前在甲烷光催化转化为C2+产品的尝试通常会遇到选择性低和/或效率低的问题，这主要由于特定催化剂的能力有限。新开发的CTF-1催化剂表现出比传统催化剂高出20倍的量子效率，同时选择性非常高。
潜在应用与更广泛的影响
甲烷是一种丰富但气候效应显著的气体。其一步光催化转化代表了一种非常理想的去碳化化学和燃料产业的方法。尤其在液态形式下，乙醇相比气态氢更易于储存、运输和分配。它可以直接在低碳车辆上进行重整——无论是陆地、海洋还是空中，为城市交通、航运及即将到来的低空经济提供了很大的应用潜力，从而为实现碳中和铺平道路。
未来研究与开发
由郭教授领导的香港大学研究团队将继续探讨在UGC主题研究计划和RGC-EU合作创新计划下的联盟努力中，定制催化剂和加强转化过程的创新选项。
