科學通報 | Au加速中間體轉化實現光催化甲烷高效轉化制化學品

光催化甲烷(CH4)直接轉化制甲醇(CH3OH)和甲醛(HCHO)等高值化學品為CH4的綠色高值利用和太陽能存儲提供了一條理想途徑. 然而, 由于CH4分子結構穩定難活化和高值化學品易過氧化, 目前CH4光催化轉化過程中往往出現CH4轉化率低和目標產物選擇性低的問題.

研究表明, 金屬氧化物表面的晶格氧可以作為CH4的活性位點實現CH4的高效活化, 而金屬原子可以作為O2或H2O的活性位點產生活性氧物種, 因此金屬氧化物在CH4向中間體的轉化方面表現出良好的性能.

西南石油大學油氣藏地質及開發工程全國重點實驗室周瑩教授等人通過浸漬法合成了不同擔載量金負載二氧化鈦光催化材料(Au/TiO2)并對其進行了光催化CH4轉化性能評價.

• 通過水熱法合成了TiO2納米顆粒, 并通過冰浴輔助NaBH4還原法制備了Au/TiO2. 在無額外氧化劑, 溫和條件下(60℃, 0.1 MPa)測試了其光催化CH4直接轉化催化性能.

• 1wt% Au/TiO2在光照1 h后, 液態含氧產物(CH3OH和HCHO)總產率達1057.9 mmol/(g h), 液態含氧產物總選擇性為84.2%. 負載Au后成功將TiO2的CH4轉化率從3.06%提升至6.49%, CH4轉化率提升2.1倍.

• TEM、XRD和XPS對Au/TiO2進行了表征, 確認了Au成功負載并以金屬納米顆粒的形式均勻穩定的分散于TiO2表面, 平均粒徑為4.30 nm.

• Au/TiO2 的in situ DRIFTS光譜、PL光譜和瞬態光電流等表征探究了影響Au/TiO2催化活的因素和CH4反應機理. 結果表明, CH4在TiO2和Au/TiO2表面被活化為關鍵中間體CH3O*, 進一步·OH與CH3O*生成的·CH3結合生成CH3OH, CH3OH被逐步氧化為HCHO.由于Au納米顆粒作為光生電子受體可以有效局域電子, 加速了中間體CH3O*定向轉化為·CH3的過程, 從而提升了光催化效率.

圖1催化材料表征. (a) TiO2和1% Au/TiO2的XRD圖; (b) TiO2和1% Au/TiO2的紫外-可見漫反射光譜;不同樣品高分辨XPS圖譜：(c) 1% Au/TiO2的Au 4f , TiO2和Au/TiO2的(d)Ti 2p和(e)O 1s , (f)TiO2的Au 4f

圖21% Au/TiO2的幾何結構. (a)TEM圖片; (b) HAADF圖片和元素分布；(c) 局部放大TEM圖片和IFFT圖片

圖3光催化CH4直接轉化性能評價. (a) 產物生成速率; (b) 反應1 h后的產物CH3OH、HCHO、CO和CO2分布圖(光照強度: 600 mW/cm2); (c) 不同樣品CH4轉化率對比圖；(d) 1% Au/TiO2催化活性與先前報道催化活性對圖

圖4機理探究. (a)TiO2和(b)Au/TiO2在CH4+H2O混合氣氛下的紅外譜圖(底部的圖是吸附譜圖, 頂部的圖是光照后圖譜); (c) 光致發光光譜; (d)N2吸脫附等溫線; (e) 瞬態光電流; (f) 價帶XPS部分放大圖譜

圖5Au/TiO2的CH4直接光催化氧化機理圖

文章信息

黃川, 曹玥晗, 周瑩. Au加速中間體轉化實現光催化甲烷高效轉化制化學品. 科學通報, 2026, 71（5-6）: 1302–1313

Huang C, Cao Y, Zhou Y. Au accelerates the conversion of intermediates to achieve efficient photocatalytic methane conversion to chemicals (in Chinese).Chin Sci Bull, 2026, 71（5-6）: 1302–1313, doi: 10.1360/TB-2025-0098

https://doi.org/10.1360/TB-2025-0098

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