科学通报 | Au加速中间体转化实现光催化甲烷高效转化制化学品

光催化甲烷(CH4)直接转化制甲醇(CH3OH)和甲醛(HCHO)等高值化学品为CH4的绿色高值利用和太阳能存储提供了一条理想途径. 然而, 由于CH4分子结构稳定难活化和高值化学品易过氧化, 目前CH4光催化转化过程中往往出现CH4转化率低和目标产物选择性低的问题.

研究表明, 金属氧化物表面的晶格氧可以作为CH4的活性位点实现CH4的高效活化, 而金属原子可以作为O2或H2O的活性位点产生活性氧物种, 因此金属氧化物在CH4向中间体的转化方面表现出良好的性能.

西南石油大学油气藏地质及开发工程全国重点实验室周莹教授等人通过浸渍法合成了不同担载量金负载二氧化钛光催化材料(Au/TiO2)并对其进行了光催化CH4转化性能评价.

• 通过水热法合成了TiO2纳米颗粒, 并通过冰浴辅助NaBH4还原法制备了Au/TiO2. 在无额外氧化剂, 温和条件下(60℃, 0.1 MPa)测试了其光催化CH4直接转化催化性能.

• 1wt% Au/TiO2在光照1 h后, 液态含氧产物(CH3OH和HCHO)总产率达1057.9 mmol/(g h), 液态含氧产物总选择性为84.2%. 负载Au后成功将TiO2的CH4转化率从3.06%提升至6.49%, CH4转化率提升2.1倍.

• TEM、XRD和XPS对Au/TiO2进行了表征, 确认了Au成功负载并以金属纳米颗粒的形式均匀稳定的分散于TiO2表面, 平均粒径为4.30 nm.

• Au/TiO2 的in situ DRIFTS光谱、PL光谱和瞬态光电流等表征探究了影响Au/TiO2催化活的因素和CH4反应机理. 结果表明, CH4在TiO2和Au/TiO2表面被活化为关键中间体CH3O*, 进一步·OH与CH3O*生成的·CH3结合生成CH3OH, CH3OH被逐步氧化为HCHO.由于Au纳米颗粒作为光生电子受体可以有效局域电子, 加速了中间体CH3O*定向转化为·CH3的过程, 从而提升了光催化效率.

图1催化材料表征. (a) TiO2和1% Au/TiO2的XRD图; (b) TiO2和1% Au/TiO2的紫外-可见漫反射光谱;不同样品高分辨XPS图谱：(c) 1% Au/TiO2的Au 4f , TiO2和Au/TiO2的(d)Ti 2p和(e)O 1s , (f)TiO2的Au 4f

图21% Au/TiO2的几何结构. (a)TEM图片; (b) HAADF图片和元素分布；(c) 局部放大TEM图片和IFFT图片

图3光催化CH4直接转化性能评价. (a) 产物生成速率; (b) 反应1 h后的产物CH3OH、HCHO、CO和CO2分布图(光照强度: 600 mW/cm2); (c) 不同样品CH4转化率对比图；(d) 1% Au/TiO2催化活性与先前报道催化活性对图

图4机理探究. (a)TiO2和(b)Au/TiO2在CH4+H2O混合气氛下的红外谱图(底部的图是吸附谱图, 顶部的图是光照后图谱); (c) 光致发光光谱; (d)N2吸脱附等温线; (e) 瞬态光电流; (f) 价带XPS部分放大图谱

图5Au/TiO2的CH4直接光催化氧化机理图

文章信息

黄川, 曹玥晗, 周莹. Au加速中间体转化实现光催化甲烷高效转化制化学品. 科学通报, 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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