甲烷是頁岩氣和可燃冰的主要成分，儲量遠超目前探明的化石能源的總和，是替代其他化石資源來合成清潔燃料和化學品的理想碳源。在全球追求低碳目標的過程中，如何高效利用甲烷實現潔淨燃料和綠色化學品的合成是其中的一個關鍵抓手。但由於甲烷分子非常穩定，轉化起來十分困難，因此甲烷轉化一直被認為是化學品生產中的一個聖盃。
傳統的熱催化技術在化工生產中很常見，但在甲烷轉化上遇到一些典型的挑戰，包括：1）需要高溫高壓的反應條件，這會導致反應路徑複雜多樣，產生很多不需要的副產物，嚴重影響目標產物的產量和質量；2）高溫高壓條件使能耗很大，安全性較差；3）同時這個過程常常需要先轉化甲烷為一氧化碳（CO），然後再生產其他化學品，這樣兩步法工序複雜。例如，在將甲烷轉化為甲醇的過程中，即使利用兩步法，常常會產生多種其他含氧化合物和二氧化碳（ CO2），經濟性很差。而且，傳統方法在溫和條件下很難同時實現高轉化率和高選擇性，尤其是在生成像乙醇這類需要碳碳鍵耦合的高價值產物時，挑戰更為艱鉅。
因此，在近期一項研究中，清華大學唐軍旺院士和團隊的目標是：開發在溫和條件下將甲烷一步轉化為更高價值的 C2 產品（如乙醇）的技術，且無需經過 CO 的中間步驟。研究採用了光催化技術，特別是提出了全新的“分子內結”的概念，克服了常規光催化的致命缺點。透過近 10 年的連續研究，成功利用分子內結實現了以下幾個關鍵步驟：調控光生電子和空穴在空間上的分離、催化劑氧化和還原反應位點的物理分離、甲烷和氧氣吸附位點的控制，反應中間體和強氧化位點的分離，這些步驟最終實現了甲烷的高轉化率以及目標產物的高選擇性，一步將甲烷部分氧化高效生成了乙醇。
（來源：Nature）
光催化技術有潛力滿足工業界亟需的綠色化工過程，實現清潔燃料和化學品的合成。但要實現這一目標，需要進一步提高效率並推動相關技術發展。從化工產業角度看，這項技術可以改變傳統依賴石油和煤作為化工原料的局面，豐富原料來源，減少供應鏈的風險，推動化工產業向更綠色、更可持續的方向轉型。透過利用全球極其豐富的甲烷資源，構建全新的化學合成產業鏈；而且在油田/煤田伴生氣中甲烷資源利用方面，這項技術的應用前景也很廣闊。另外，這項技術也可以實現移動式和模組化甲烷轉化系統，幫助偏遠地區捕獲與利用原本被浪費的甲烷廢氣/沼氣，減少溫室氣體排放，同時將其轉化為有價值的化學品。總之，這一研究成果為開發高效穩定的光催化劑提供了重要參考，有望推動光催化技術在甲烷轉化和高附加值化學品合成領域的應用程序，對能源與化工產業的可持續發展具有重要意義。
日前，相關論文以《透過分子結光催化劑將甲烷氧化為乙醇》（Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst）為題發在 Nature[1]。
Jijia Xie 是第一作者，英國倫敦大學學院/清華大學唐軍旺院士、英國卡迪夫大學 C. 理查德·A·卡特洛（C. Richard A. Catlow）院士、中國科學技術大學黃偉新教授和香港大學郭正曉教授擔任共同通訊作者。
圖 | 相關論文（來源：Nature）
本研究過程中，研究人員對反應機理進行了十分深入的探究。採用同步輻射 X 射線吸收光譜、熒光光譜、紅外光譜、氣體吸附、同位素示蹤、光電離質譜、電子順磁共振以及理論模擬等多項互補技術，對 CTF-1 催化劑光生電荷的生成和分離、反應物的吸附和活化、中間體的產生和轉化，以及產物的生成和脫附進行了深入而系統的研究。這些多維度的物理和化學表徵為反應過程的全面理解提供了有效且互補的佐證，為後續的類似研究提供了很好的參考。特別是本次研究透過來自英國、中國大陸和香港的四所大學的課題組（每個課題組都有若干名成員參與）的高效合作，實現了一種新型含有分子內結的光催化劑的製備和用於高選擇性甲烷氧化為乙醇的原創研究。這些成果不但體現了國際合作的重要性，同時也證明了國際合作在人才培養和科學創新方面的高效性。
總的來說，本次研究報道了含有分子內結的聚合物光催化劑能一步高效將甲烷選擇性氧化為乙醇。後續會對該材料的光催化機理進行更加深入的研究，特別是對這個催化劑的放大生產及其長催化壽命進行深入研究，為推向實際的工業應用打下堅實的基礎。如果成功，有望成為多相光催化實現工業應用的全球第一例。
參考資料：
1.Xie, J., Fu, C., Quesne, M.G.et al. Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst. Nature (2025). https://doi.org/10.1038/s41586-025-08630-x
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