论文标题：Intramolecular junction for methane photooxidation to ethanol
期刊：Frontiers in Energy
作者：Li Li, Yongfu Sun
发表时间：19 Feb 2025
DOI： 10.1007/s11708-025-0993-5
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近日，中国科学技术大学孙永福等在Frontiers in Energy发表了题为“Intramolecular junction for methane photooxidation to ethanol”的新闻热点文章，解读了清华大学唐军旺课题组开发的一种新型分子内结光催化剂（CTF-1）在甲烷选择性光氧化制乙醇反应中的突破性进展。
文章主要内容
甲烷作为天然气和页岩气的主要成分，在化工合成中具有重要价值，但其惰性特性使其高效利用面临挑战。传统热催化和催化转化方法通常需要极端反应条件，且对乙醇等高附加值产物的选择性较低。相比之下，光催化技术通过利用太阳能驱动甲烷氧化为乙醇（C2H5OH），不仅反应条件温和，还能直接生成兼具燃料和工业溶剂功能的乙醇，为可持续能源转化提供了新思路。然而，甲烷分子中强C–H键的活化及反应路径的选择性控制仍是该领域的核心难题。
针对上述问题，清华大学唐军旺课题组设计了一种新型共价三嗪框架光催化剂（CTF-1），其独特的分子内异质结构为甲烷选择性氧化提供了创新解决方案。CTF-1由苯环和三嗪单元交替排列构成，通过分子内电子调控实现了电荷载流子的高效分离。具体而言，三嗪单元优先稳定空穴，而苯环单元则富集光生电子。这种空间分离显著延长了电荷载流子的寿命，从而提升光催化活性。进一步研究表明，CTF-1的双位点吸附机制在反应选择性中起关键作用：三嗪单元吸附水分子生成羟基自由基（·OH），用于活化甲烷C–H键并产生甲基自由基（·CH3），而苯环单元吸附氧气（O2），参与后续偶联反应生成乙醇。这种空间隔离有效抑制了中间体的过氧化，避免了传统催化中常见的二氧化碳副产物生成。
实验表明，CTF-1在填充床流动反应器中的性能显著优于二氧化钛（TiO2）和石墨相氮化碳（g-C3N4）等传统光催化剂。通过引入PtOx纳米颗粒作为助催化剂，CTF-1的表观量子效率（AQE）提升至9.4%，甲烷转化率和乙醇选择性均达到较高水平。优化反应条件时，研究团队系统调节了甲烷与氧气的比例及光照波长，发现特定波长下光生载流子的生成速率与反应活性呈正相关。此外，同位素标记实验（13C-CH4和18O2）证实，乙醇中的碳源完全来自甲烷，氧原子则来源于分子氧而非水，这一结果明确了反应路径中O2的关键作用。稳定性测试显示，CTF-1在连续运行50小时后仍保持结构完整性和催化性能，展现出良好的工业化应用潜力。
文章进一步探讨了未来光催化甲烷转化的研究方向。在材料设计层面，将金属有机框架（MOFs）或共价有机框架（COFs）与半导体材料复合，有望通过协同效应增强光吸收和电荷传输效率。反应器工程方面，连续流动微反应器可通过稳态环境减少中间体积累，结合优化光分布系统，可进一步提升选择性和能源效率。此外，整合可再生能源驱动光催化过程，将有助于降低碳足迹，推动绿色化学合成。
CTF-1催化剂通过分子内结的精准设计，实现了电荷分离与反应位点空间分布的协同调控，为甲烷定向转化提供了新范式。未来，跨学科合作将加速光催化剂设计与反应器技术的融合，推动甲烷高效转化为高值化学品的潜力。
原文信息
Intramolecular junction for methane photooxidation to ethanol
Li Li1,2, Yongfu Sun1
Author information:
1. Hefei National Research Center for Physical Sciences at Microscale, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
2. Max Planck Institute of Microstructure Physics, Weinberg 2, 06120 Halle (Saale), Germany
Cite this article:
Li Li, Yongfu Sun. Intramolecular junction for methane photooxidation to ethanol. Front. Energy,
https://doi.org/10.1007/s11708-025-0993-5
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作者简介
孙永福，中国科学技术大学教授，博士生导师。多年来一直从事二维超薄无机材料的精准制备、精细结构解析及其光/电催化还原二氧化碳研究。相关研究成果已经在Nature, Nature Energy, Joule, Chem. Soc. Rev., Acc. Chem. Res., J. Am. Chem. Soc., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., Nature Commun., Natl. Sci. Rev., Sci. China Chem.等国内外期刊上发表100余篇论文，论文他引超21000次。相关成果入选2016年《中国科学十大进展》和2012年度《中国科学院重大科技基础设施重大成果》，受邀参加2021年国家“十三五”科技创新成就展。
承担基金委杰出青年基金、基金委面上项目、基金委联合基金、基金委优秀青年基金和国家重点研发计划“纳米科技”重点专项项目等；入选安徽省首届优秀青年科技人才(2022)、英国皇家化学会会士(2019)、中科院青促会优秀会员(2019)、教育部青年长江学者(2016)和新世纪优秀人才支持计划(2013)等。
作为第一完成人获安徽省科学技术奖一等奖(自然科学类，2019年)，还获中国化学会赢创杰出青年科学家奖(2022)、中国化学会青年化学奖(2016)、中国化学会纳米化学新锐奖(2016)和中科院卢嘉锡青年人才奖(2015)等。
期刊简介
Frontiers in Energy是中国工程院院刊能源分刊，高教社Frontiers系列期刊之一。由中国工程院、上海交通大学和高等教育出版社共同主办。翁史烈院士和倪维斗院士为名誉主编，中国工程院院士黄震、周守为、苏义脑、彭苏萍担任主编。加拿大皇家科学院、加拿大工程院、中国工程院外籍院士张久俊，美国康涅狄格大学校长、教授Radenka Maric，上海交通大学教授Nicolas Alonso-Vante和巨永林担任副主编。
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