近日，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授和劉東教授在光催化甲烷轉(zhuǎn)化領(lǐng)域取得新進(jìn)展，相關(guān)研究成果以“Direct Photocatalytic Oxidation of Methane to Formic Acid with High Selectivity via a Concerted Proton–Electron Transfer Process”為題發(fā)表在國際知名期刊《Journal of the American Chemical Society》上。

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光驅(qū)動(dòng)甲烷直接轉(zhuǎn)化為甲酸是將甲烷轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品并促進(jìn)可持續(xù)發(fā)展的一種前景廣闊的方法。然而，由于甲烷到甲酸涉及復(fù)雜的中間體，這一過程仍然具有挑戰(zhàn)性。在此，他們?cè)O(shè)計(jì)了一種以鉑（Pt）活性位點(diǎn)修飾的三氧化鎢（WO3）基光催化劑，通過質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移過程促進(jìn)氧活化，產(chǎn)生更多的活性氧物種，實(shí)現(xiàn)高效的甲烷到甲酸的轉(zhuǎn)變。通過比較Pt單原子（SAs）和純的WO3，他們發(fā)現(xiàn)負(fù)載Pt納米顆粒（NPs）表現(xiàn)出更高的甲烷轉(zhuǎn)化速率、甲酸產(chǎn)物的選擇性。Pt納米粒子可以促進(jìn)氧氣吸附和活化，通過可以促進(jìn)光生載流子分離，從而實(shí)現(xiàn)O2解離；另外通過提高溶液中的質(zhì)子濃度，提供足夠的質(zhì)子，從而降低羥基自由基（·OH）形成勢(shì)壘，最終通過質(zhì)子耦合電子轉(zhuǎn)移過程促進(jìn)·OH形成。在這個(gè)反應(yīng)體制中，我們?cè)O(shè)計(jì)的PtNPs-WO3催化劑，可以實(shí)現(xiàn) 17.7 mmol g−1的HCOOH 產(chǎn)率，其HCOOH產(chǎn)物的選擇性為 84%，并表現(xiàn)出優(yōu)異的催化劑穩(wěn)定性。這項(xiàng)研究為甲烷轉(zhuǎn)化催化劑設(shè)計(jì)和反應(yīng)機(jī)理提供了新的思路。

中國科大博士生翟廣耀、楊思遠(yuǎn)以及陳藝虹為論文第一作者，中國科大熊宇杰教授和劉東教授為論文的通訊作者。此項(xiàng)研究得到國家自然科學(xué)基金、江蘇省自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院等項(xiàng)目的支持。也得到了合肥同步輻射光源、中國科大理化科學(xué)實(shí)驗(yàn)中心、微納研究與制造中心以及蘇州高研院理化實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的支持。

文章鏈接：https://doi.org/10.1021/jacs.4c12758