高活性催化材料实现甲烷高效转化为甲醛！

甲烷是天然气的主要成分，是许多化学品的常见碳源。尽管如此，它仍然是一种强温室气体，其全球变暖潜力是二氧化碳的 70 倍以上。因此，催化甲烷转化（将甲烷转化为其他化学品）代表了获得净零能源和化学品供应同时解决环境问题的巨大可能性。另一方面，甲烷是一种极其稳定的分子，不易活化，尤其是在温和或环境条件下。在甲烷转化中建立高活性和选择性是一个相当大的问题，许多化学家将分子间碳氢键的选择性活化视为催化中最难以捉摸的“圣杯”之一。相比之下，甲醛是一种大批量的商品化学品，市场价值为 80 亿美元，复合年增长率 (CAGR) 为 5.7%。它用于各种家庭、商业、航空、医疗和汽车工业，也是三聚氰胺、脲醛和酚醛树脂的重要前体。甲醛还可以安全地用于制造疫苗、抗感染药物和硬胶囊。目前它是利用银或金属氧化物催化剂在约 500-600 °C 的高反应器温度下通过甲醇氧化脱氢生产的，导致大量的 CO2排放和能源损失。因此，将甲烷转化为其他化学品是一个具有挑战性的任务，且如能转化为甲醛则是一举多得的创举。
鉴于此，近期由香港大学化学系的郭正孝教授与清华大学化学工程系的唐俊旺教授合作在nature communications期刊上发表了题为Nearly 100% selective and visible-light-driven methane conversion to formaldehyde via. single-atom Cu and Wδ+的研究成果。
概述
研究开发了一种高活性和选择性的催化材料，可将甲烷转化为甲醛，而不会产生废物。这种催化材料基于三氧化钨(WO3)，其中包含铜和钨原子构成的双活性位点，在这些位点协同作用，实现了高效和选择性的转化过程。
图文导读
研究开发了一种利用可见光的新方法，将甲烷气体转化为甲醛。实验中发现，在环境可见光的作用下，铜和钨共同作用于氧化钨表面，实现了高选择性和高效率的甲烷转化为甲醛。
该研究团队的催化材料表现出近乎100%的选择性和高转化效率。在光催化剂的作用下，甲烷气体可以有效地转化为甲醛。通过研究实验分析，研究人员发现，铜在电子传递和活性分子形成方面起到关键作用，而钨则对甲烷气体的活化起到促进作用。铜作为电子受体，帮助电子从导带转移到氧分子，产生活性羟基自由基(HOO)。同时，钨的部分正电荷位点充当空穴受体，激活水分子并产生羟基自由基，将甲烷转化为甲基自由基。这种协同作用显著提高了转化过程的效率和选择性。
这一发现为进一步研究和开发用于广泛化学转化的新型光催化剂提供了途径，有助于实现更可持续和高效的化学过程。
参考文献
Luo, L., et al., (2023). Nearly 100% selective and visible-light-driven methane conversion to formaldehyde via. single-atom Cu and Wδ+. Nature Communications. doi.org/10.1038/s41467-023-38334-7.
Source: https://www.hku.hk/