论文标题：Morphology-Controlled WO3 for the Photocatalytic Oxidation of Methane to Methanol in Mild Conditions

论文链接：https://doi.org/10.3390/methane2010008

期刊名：Methane

期刊主页：https://www.mdpi.com/journal/methane

在光催化剂的微光下，甲烷与甲醇之间的距离被缩短为一层特殊“花朵”的距离。这种形态可控的氧化钨正在改写能源转化的规则。一片直径仅微米大小的金属氧化物催化剂，在温和条件下悄然进行着能源转化革命——将温室气体甲烷转化为液态燃料甲醇。

一项发表于Methane期刊的最新研究发现，一种花状结构的氧化钨催化剂在温和条件下展现卓越的光催化性能，为甲烷高效转化为高价值化学品开辟了新路径。

1. 研究背景

甲烷（CH₄）是自然界中含量最丰富的富碳有机化合物，是一种清洁、安全且具有石油替代潜力的能源。然而，除了运输成本高昂外，泄漏和输送故障也难以避免。鉴于甲烷是第二大温室气体，过量排放对环境构成威胁。为了最大限度地利用甲烷的能量，科学界正在寻求环境友好的转化技术，将甲烷用以生产甲醇等高附加值产品。目前工业上主要通过高温高压的热催化工艺将甲烷转化为甲醇，耗能高且经济性欠佳。

如果能利用光催化技术在温和条件下实现甲烷向甲醇的转化，将大大降低能源消耗和碳排放。然而，光生载流子的快速复合导致传统光催化剂效率低下，成为该领域的主要技术瓶颈。

2. 研究设计

根据过往研究表明，纳米材料的形貌对光催化性能有显著影响。为了探索如何提高光催化效率，Heagy与其研究团队系统制备并对比了五种不同形态的氧化钨材料：微米颗粒、纳米粉末、纳米棒、纳米线和花状结构。

团队在可见光照射、50 ℃温和条件下，评估了这些催化剂将甲烷转化为甲醇的效率。研究特别关注了电子捕获剂/氧化剂（如过氧化氢、三价铁离子和水合肼）对促进光生电荷分离的作用。通过比较甲醇生成速率、结合光致发光光谱分析，揭示了催化剂形态与性能之间的内在联系。

图中展示了微米颗粒、纳米粉末、纳米线、纳米棒和花状结构的氧化钨形貌差异。

3．核心发现

研究发现，添加2mM过氧化氢可使WO₃的光催化甲醇生成活性提高约4倍。在所选形貌中，花状氧化钨结构表现出最高的甲醇生成速率，达到每小时每克催化剂生成38.17±3.24微摩尔甲醇，明显优于其他形态的氧化钨材料。

通过光致发光光谱分析，发现花状结构具有显著降低的电子-空穴复合率。其独特的花瓣状中空腔室能促进多次光反射，增强光吸收效率。

示意图（a）为WO₃颗粒的光致发光光谱；（b）为不同形貌样品在2 mM H₂O₂存在下的甲醇生成速率（反应条件：50°C，pH~7，紫外光照射，CH₄/N₂混合气以100 mL/min流速鼓泡）。

4．机理探索

研究提出的光催化机理包含两个关键步骤：光生空穴氧化水产生羟基自由基，羟基自由基攻击甲烷C-H键形成甲基自由基，随后甲基自由基进一步氧化生成甲醇。

花状氧化钨的优异性能源于其独特的三维分层结构：高比表面积提供更多反应位点，特殊的电子结构减缓载流子复合，优化了光催化反应动力学。

示意图显示了甲烷在光催化剂作用下转化为甲醇的可能途径，包括自由基生成和氧化步骤。

5．未来展望

这项研究展示了通过调控催化剂形态和添加适量氧化剂，可显著提高光催化甲烷转化效率。它为设计高效的甲烷转化光催化剂提供了新思路，三维分层结构材料有望成为未来研究的重点方向。

结合太阳能利用，这项技术有望实现温室气体资源化利用与清洁能源生产的双重目标，为低碳能源转型提供可行方案。

Methane期刊介绍

https://www.mdpi.com/journal/methane

主编：Prof. Dr. Patrick Da Costa, Institut d’Alembert, Sorbonne Université, CNRS UMR7190, 2 pl de la Gare de Ceinture, 78210 St Cyr L’Ecole, France

期刊专注于甲烷及其相关领域的创新研究。期刊涵盖甲烷的生产、储存、转化、利用及环境影响等多个方向，涉及能源科学、环境工程、化学催化、微生物学等交叉学科，旨在为全球学者提供高质量的学术交流平台。本期刊涵盖与甲烷相关的所有研究主题，重点关注但不限于以下领域：甲烷勘探与开采技术，甲烷的化学与物理特性，甲烷及其衍生物的应用，甲烷排放与控制，甲烷代谢过程，天然气水合物（可燃冰），氢能技术，氢燃料开发。