我(wo)系(xi)黃偉新教(jiao)授(shou)(shou)課(ke)題組與英(ying)(ying)國(guo)倫(lun)敦(dun)大(da)(da)(da)學(xue)學(xue)院(yuan)/清華大(da)(da)(da)學(xue)Junwang Tang（唐軍旺）教(jiao)授(shou)(shou)課(ke)題組、英(ying)(ying)國(guo)卡迪夫(fu)大(da)(da)(da)學(xue)/倫(lun)敦(dun)大(da)(da)(da)學(xue)學(xue)院(yuan)C. Richard A. Catlow教(jiao)授(shou)(shou)課(ke)題組和(he)英(ying)(ying)國(guo)倫(lun)敦(dun)大(da)(da)(da)學(xue)學(xue)院(yuan)/香港大(da)(da)(da)學(xue)Zheng Xiao Guo教(jiao)授(shou)(shou)課(ke)題組合作提出分子內結新概念，發明了(le)CTF-1聚合物光催化(hua)(hua)劑，在常(chang)(chang)溫、常(chang)(chang)壓下，一步高效(xiao)、且高選擇(ze)性地(di)將甲烷(wan)轉化(hua)(hua)為C2液體產物(wu)-乙(yi)醇。研究成果于3月(yue)13日以(yi)“Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst”為題發表(biao)在Nature 2025, 639, 368-374。

以甲(jia)烷為主要成分(fen)的天然氣、頁巖氣和(he)(he)(he)可(ke)燃冰儲(chu)量豐富(fu)，遠超過其(qi)它化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)石(shi)燃料的總和(he)(he)(he)。甲(jia)烷合(he)(he)成高(gao)(gao)值(zhi)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學品(pin)(pin)是一條非常(chang)有(you)吸引力的策略。然而(er)，甲(jia)烷分(fen)子(zi)的高(gao)(gao)度(du)對稱(cheng)性(xing)(xing)和(he)(he)(he)穩定性(xing)(xing)使得甲(jia)烷轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)反應(ying)的活(huo)性(xing)(xing)較(jiao)低，并且(qie)甲(jia)烷轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)生(sheng)(sheng)成的高(gao)(gao)值(zhi)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學品(pin)(pin)反應(ying)活(huo)性(xing)(xing)高(gao)(gao)于(yu)甲(jia)烷。因(yin)此，甲(jia)烷高(gao)(gao)活(huo)性(xing)(xing)和(he)(he)(he)高(gao)(gao)選擇性(xing)(xing)合(he)(he)成高(gao)(gao)值(zhi)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學品(pin)(pin)，尤其(qi)到C2+含(han)氧化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)合(he)(he)物(wu)(wu)，極具挑戰性(xing)(xing)。光(guang)催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)利用光(guang)子(zi)產生(sheng)(sheng)高(gao)(gao)活(huo)性(xing)(xing)光(guang)生(sheng)(sheng)電子(zi)和(he)(he)(he)空穴(xue)(xue)，能(neng)夠(gou)在溫(wen)和(he)(he)(he)條件下驅動氧化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)還原反應(ying)，在甲(jia)烷合(he)(he)成高(gao)(gao)值(zhi)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)學品(pin)(pin)中展現(xian)(xian)出巨大的潛力。英國倫敦大學學院(yuan)/清華(hua)大學唐軍旺教授課題組基于(yu)異(yi)相結調控光(guang)催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑光(guang)生(sheng)(sheng)電子(zi)和(he)(he)(he)空穴(xue)(xue)動力學實(shi)現(xian)(xian)高(gao)(gao)效(xiao)甲(jia)烷光(guang)催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)選擇轉(zhuan)化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)反應(ying)的系統(tong)研究(jiu)結果和(he)(he)(he)對激子(zi)和(he)(he)(he)極化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)子(zi)物(wu)(wu)理學的理解，合(he)(he)成了由苯環和(he)(he)(he)三嗪(qin)單(dan)元(yuan)交替排列，形(xing)成苯環-三嗪(qin)單(dan)元(yuan)分(fen)子(zi)內結的CTF-1聚合(he)(he)物(wu)(wu)光(guang)催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)劑，發現(xian)(xian)了CTF-1聚合(he)(he)物(wu)(wu)高(gao)(gao)效(xiao)光(guang)催化(hua)(hua)(hua)(hua)(hua)甲(jia)烷+O2+H2O流動相反應定向生(sheng)成乙醇(chun)的(de)(de)全新(xin)光催化(hua)甲烷制(zhi)C2+含氧化(hua)合(he)物(wu)反應體系，開展的(de)(de)同位素標(biao)記實驗結果(guo)表明產(chan)物(wu)乙醇(chun)中的(de)(de)氧源自(zi)氧氣，甲醇(chun)中的(de)(de)氧源自(zi)水，CO2中的氧(yang)(yang)源自(zi)氧(yang)(yang)氣(qi)(qi)或者氧(yang)(yang)氣(qi)(qi)/水，基(ji)于此(ci)提出了催化反應路徑（圖(tu)1）。

188bet足球黃(huang)偉新教授合(he)作開(kai)展了系統(tong)的CTF-1聚合(he)物，及(ji)對照催化劑g-C3N4和TiO2，光催化甲(jia)烷(wan)+O2+H2O反(fan)應表界面化學(xue)研究。利用(yong)自(zi)行發展的光(guang)(guang)照(zhao)原位(wei)X-射線近邊(bian)吸收譜數(shu)據分(fen)析方法（ACS Catal.12(2022) 6457）觀察到(dao)CTF-1聚合(he)物光(guang)(guang)照(zhao)產生的光(guang)(guang)生電子和空穴(xue)分(fen)別聚集在(zai)苯環和三嗪單(dan)元，對比研究反(fan)應物分(fen)子甲(jia)烷和水在(zai)CTF-1聚合(he)物、g-C3N4和TiO2的吸(xi)附(fu)提供了(le)CTF-1聚(ju)合物對甲烷和(he)水(shui)獨特的吸(xi)附(fu)活化(hua)行(xing)為，利用自(zi)行(xing)建立的吸(xi)附(fu)微量熱(re)技(ji)術(shu)（Rev. Sci. Instrum. 89 (2018) 064101）和(he)脈沖(chong)化(hua)學吸(xi)附(fu)技(ji)術(shu)提供了(le)CTF-1聚(ju)合物強吸(xi)附(fu)甲醇附(fu)產物分(fen)子和(he)弱(ruo)吸(xi)附(fu)乙醇目(mu)標產物分(fen)子的實驗證據，以及利用高靈敏度同步(bu)輻(fu)射單(dan)光子電(dian)離質譜僅在甲烷+O2+H2O光催化反(fan)應體(ti)系在線(xian)檢(jian)測到光催化中間(jian)(jian)產(chan)物(wu)(wu)乙烷（圖(tu)2）。這些結(jie)(jie)(jie)果與(yu)英國(guo)倫敦大(da)(da)學(xue)學(xue)院(yuan)/香港(gang)大(da)(da)學(xue)Zheng Xiao Guo教授(shou)課題(ti)(ti)組的(de)其它實(shi)(shi)驗表征(zheng)結(jie)(jie)(jie)果、英國(guo)卡迪夫(fu)大(da)(da)學(xue)/倫敦大(da)(da)學(xue)學(xue)院(yuan)C. Richard A. Catlow教授(shou)課題(ti)(ti)組的(de)理論模擬結(jie)(jie)(jie)果相互印證，揭示了CTF-1聚合物(wu)(wu)苯環-三嗪(qin)單元分(fen)(fen)子內(nei)結(jie)(jie)(jie)實(shi)(shi)現光生(sheng)電子電子和空穴的(de)空間(jian)(jian)分(fen)(fen)離(li)，以及由此引(yin)發的(de)甲(jia)烷氧化和氧氣還(huan)原(yuan)位點的(de)空間(jian)(jian)分(fen)(fen)離(li)，反(fan)應中間(jian)(jian)體(ti)甲(jia)基自由基和乙烷與(yu)具有強(qiang)氧化性(xing)的(de)羥基自由基的(de)空間(jian)(jian)分(fen)(fen)離(li)的(de)新機制，理解了CTF-1聚合物(wu)(wu)高效光催化甲(jia)烷+O2+H2O反(fan)應(ying)定向生成乙(yi)醇的(de)反(fan)應(ying)機理(li)和(he)構(gou)-效(xiao)關(guan)系(xi)。該研究也(ye)在國際上(shang)首次(ci)提(ti)出了分子(zi)(zi)內結（intramolecular junction）調控光(guang)生電子(zi)(zi)和(he)空穴動力學(xue)的(de)新概(gai)念，為(wei)分子(zi)(zi)基高效(xiao)光(guang)催化劑創(chuang)制(zhi)提(ti)供了新思路。

英(ying)(ying)國(guo)倫(lun)(lun)敦(dun)(dun)大(da)(da)學(xue)(xue)學(xue)(xue)院Jijia Xie為(wei)(wei)文(wen)(wen)(wen)章(zhang)(zhang)第(di)一作者(zhe)，188bet足球畢(bi)業博士生傅聰為(wei)(wei)文(wen)(wen)(wen)章(zhang)(zhang)第(di)二作者(zhe)（文(wen)(wen)(wen)章(zhang)(zhang)無共同第(di)一作者(zhe)），英(ying)(ying)國(guo)倫(lun)(lun)敦(dun)(dun)大(da)(da)學(xue)(xue)學(xue)(xue)院/清華大(da)(da)學(xue)(xue)唐軍旺教(jiao)授(shou)(shou)、英(ying)(ying)國(guo)卡迪夫大(da)(da)學(xue)(xue)/倫(lun)(lun)敦(dun)(dun)大(da)(da)學(xue)(xue)學(xue)(xue)院C. Richard A. Catlow教(jiao)授(shou)(shou)、188bet足球黃(huang)偉(wei)新教(jiao)授(shou)(shou)和英(ying)(ying)國(guo)倫(lun)(lun)敦(dun)(dun)大(da)(da)學(xue)(xue)學(xue)(xue)院/香港大(da)(da)學(xue)(xue)Zheng Xiao Guo教(jiao)授(shou)(shou)為(wei)(wei)文(wen)(wen)(wen)章(zhang)(zhang)共同通訊作者(zhe)。黃(huang)偉(wei)新教(jiao)授(shou)(shou)課題組研究得到了科技(ji)部、中國(guo)科學(xue)(xue)院、國(guo)家(jia)自然科學(xue)(xue)基金(jin)委員會、教(jiao)育部和188bet足球的(de)支(zhi)持(chi)。同時，188bet足球黃(huang)偉(wei)新教(jiao)授(shou)(shou)與英(ying)(ying)國(guo)倫(lun)(lun)敦(dun)(dun)大(da)(da)學(xue)(xue)學(xue)(xue)院唐軍旺教(jiao)授(shou)(shou)的(de)合作契(qi)機始于(yu)188bet足球國(guo)際訪問教(jiao)授(shou)(shou)計劃(hua)。

文章鏈(lian)接：//doi.org/10.1038/s41586-025-08630-x