我系(xi)黃偉(wei)新教授(shou)(shou)課題組(zu)與(yu)英(ying)國倫敦大(da)(da)(da)學(xue)學(xue)院(yuan)/清華大(da)(da)(da)學(xue)Junwang Tang（唐軍旺）教授(shou)(shou)課題組(zu)、英(ying)國卡迪夫(fu)大(da)(da)(da)學(xue)/倫敦大(da)(da)(da)學(xue)學(xue)院(yuan)C. Richard A. Catlow教授(shou)(shou)課題組(zu)和(he)英(ying)國倫敦大(da)(da)(da)學(xue)學(xue)院(yuan)/香港大(da)(da)(da)學(xue)Zheng Xiao Guo教授(shou)(shou)課題組(zu)合作提出分子(zi)內結新概念，發明了(le)CTF-1聚(ju)合物(wu)光催化(hua)劑，在常溫、常壓下，一步高效(xiao)、且高選擇性地將甲烷轉化(hua)為C2液體產物-乙醇(chun)。研究(jiu)成(cheng)果于3月13日以“Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst”為題發表在Nature 2025, 639, 368-374。

以甲(jia)烷(wan)(wan)(wan)(wan)為(wei)主要成(cheng)(cheng)分的(de)天(tian)然(ran)氣、頁(ye)巖氣和(he)(he)可(ke)燃冰儲量豐富(fu)，遠超過其(qi)它化(hua)(hua)(hua)石燃料的(de)總(zong)和(he)(he)。甲(jia)烷(wan)(wan)(wan)(wan)合(he)成(cheng)(cheng)高(gao)(gao)(gao)值(zhi)化(hua)(hua)(hua)學(xue)品是一(yi)條非常有吸引力的(de)策(ce)略。然(ran)而，甲(jia)烷(wan)(wan)(wan)(wan)分子(zi)(zi)的(de)高(gao)(gao)(gao)度對稱性和(he)(he)穩定性使得甲(jia)烷(wan)(wan)(wan)(wan)轉化(hua)(hua)(hua)反(fan)應的(de)活(huo)性較低，并且甲(jia)烷(wan)(wan)(wan)(wan)轉化(hua)(hua)(hua)生成(cheng)(cheng)的(de)高(gao)(gao)(gao)值(zhi)化(hua)(hua)(hua)學(xue)品反(fan)應活(huo)性高(gao)(gao)(gao)于(yu)甲(jia)烷(wan)(wan)(wan)(wan)。因此(ci)，甲(jia)烷(wan)(wan)(wan)(wan)高(gao)(gao)(gao)活(huo)性和(he)(he)高(gao)(gao)(gao)選擇(ze)性合(he)成(cheng)(cheng)高(gao)(gao)(gao)值(zhi)化(hua)(hua)(hua)學(xue)品，尤(you)其(qi)到C2+含氧化(hua)(hua)(hua)合(he)物(wu)，極具挑(tiao)戰性。光(guang)(guang)(guang)催(cui)化(hua)(hua)(hua)利(li)用光(guang)(guang)(guang)子(zi)(zi)產(chan)生高(gao)(gao)(gao)活(huo)性光(guang)(guang)(guang)生電子(zi)(zi)和(he)(he)空穴，能夠在(zai)溫和(he)(he)條件下驅動(dong)氧化(hua)(hua)(hua)還原反(fan)應，在(zai)甲(jia)烷(wan)(wan)(wan)(wan)合(he)成(cheng)(cheng)高(gao)(gao)(gao)值(zhi)化(hua)(hua)(hua)學(xue)品中(zhong)展(zhan)現出(chu)巨大的(de)潛力。英國倫敦大學(xue)學(xue)院/清華大學(xue)唐軍(jun)旺教授課題組基于(yu)異相結(jie)調(diao)控光(guang)(guang)(guang)催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)光(guang)(guang)(guang)生電子(zi)(zi)和(he)(he)空穴動(dong)力學(xue)實現高(gao)(gao)(gao)效(xiao)甲(jia)烷(wan)(wan)(wan)(wan)光(guang)(guang)(guang)催(cui)化(hua)(hua)(hua)選擇(ze)轉化(hua)(hua)(hua)反(fan)應的(de)系統研究結(jie)果(guo)和(he)(he)對激子(zi)(zi)和(he)(he)極化(hua)(hua)(hua)子(zi)(zi)物(wu)理學(xue)的(de)理解(jie)，合(he)成(cheng)(cheng)了(le)由苯(ben)環和(he)(he)三(san)嗪(qin)(qin)單(dan)元交替(ti)排列，形成(cheng)(cheng)苯(ben)環-三(san)嗪(qin)(qin)單(dan)元分子(zi)(zi)內結(jie)的(de)CTF-1聚合(he)物(wu)光(guang)(guang)(guang)催(cui)化(hua)(hua)(hua)劑(ji)，發現了(le)CTF-1聚合(he)物(wu)高(gao)(gao)(gao)效(xiao)光(guang)(guang)(guang)催(cui)化(hua)(hua)(hua)甲(jia)烷(wan)(wan)(wan)(wan)+O2+H2O流動相反應定向生成乙(yi)醇的(de)(de)全新光催化甲烷制C2+含氧化合物(wu)反應體系，開展(zhan)的(de)(de)同位(wei)素(su)標記實(shi)驗結果表明產物(wu)乙(yi)醇中的(de)(de)氧源自氧氣(qi)，甲醇中的(de)(de)氧源自水(shui)，CO2中的氧源自氧氣(qi)(qi)或者氧氣(qi)(qi)/水，基于此(ci)提出了催化反應路徑（圖1）。

188bet足球黃偉新教授合作(zuo)開展(zhan)了系統的CTF-1聚合物(wu)，及(ji)對(dui)照(zhao)催化劑(ji)g-C3N4和TiO2，光催(cui)化(hua)甲烷+O2+H2O反(fan)應(ying)表界面化(hua)學研究(jiu)。利用自行發展(zhan)的(de)光照原位(wei)X-射(she)線(xian)近邊吸收譜(pu)數據分析(xi)方法（ACS Catal.12(2022) 6457）觀察到CTF-1聚合物(wu)光照產生的(de)光生電子和空穴(xue)分別聚集(ji)在(zai)苯環(huan)和三嗪單(dan)元，對比研究(jiu)反(fan)應(ying)物(wu)分子甲烷和水在(zai)CTF-1聚合物(wu)、g-C3N4和(he)TiO2的吸(xi)附(fu)提供了(le)CTF-1聚合物(wu)對甲(jia)(jia)烷和(he)水獨特的吸(xi)附(fu)活化行為，利用(yong)(yong)自行建立(li)的吸(xi)附(fu)微量熱(re)技術(shu)（Rev. Sci. Instrum. 89 (2018) 064101）和(he)脈沖(chong)化學吸(xi)附(fu)技術(shu)提供了(le)CTF-1聚合物(wu)強吸(xi)附(fu)甲(jia)(jia)醇附(fu)產物(wu)分(fen)子(zi)和(he)弱吸(xi)附(fu)乙醇目標產物(wu)分(fen)子(zi)的實驗證據，以(yi)及(ji)利用(yong)(yong)高靈敏度同步輻射(she)單(dan)光(guang)子(zi)電離質(zhi)譜僅在甲(jia)(jia)烷+O2+H2O光(guang)(guang)催(cui)化(hua)(hua)反應(ying)體系在線檢(jian)測到光(guang)(guang)催(cui)化(hua)(hua)中間產物(wu)(wu)乙(yi)(yi)烷(wan)（圖2）。這(zhe)些結(jie)果與英國(guo)倫(lun)敦(dun)大(da)(da)學(xue)學(xue)院(yuan)/香港(gang)大(da)(da)學(xue)Zheng Xiao Guo教授(shou)課題組(zu)的(de)(de)(de)其它實(shi)驗表征結(jie)果、英國(guo)卡迪(di)夫大(da)(da)學(xue)/倫(lun)敦(dun)大(da)(da)學(xue)學(xue)院(yuan)C. Richard A. Catlow教授(shou)課題組(zu)的(de)(de)(de)理論模擬結(jie)果相互印證，揭示了CTF-1聚合物(wu)(wu)苯環-三嗪單元分(fen)(fen)子(zi)內結(jie)實(shi)現光(guang)(guang)生電子(zi)電子(zi)和空(kong)穴的(de)(de)(de)空(kong)間分(fen)(fen)離，以(yi)及由此(ci)引發的(de)(de)(de)甲(jia)烷(wan)氧化(hua)(hua)和氧氣還(huan)原位點(dian)的(de)(de)(de)空(kong)間分(fen)(fen)離，反應(ying)中間體甲(jia)基自(zi)由基和乙(yi)(yi)烷(wan)與具有強氧化(hua)(hua)性(xing)的(de)(de)(de)羥(qian)基自(zi)由基的(de)(de)(de)空(kong)間分(fen)(fen)離的(de)(de)(de)新機(ji)制，理解了CTF-1聚合物(wu)(wu)高效光(guang)(guang)催(cui)化(hua)(hua)甲(jia)烷(wan)+O2+H2O反(fan)應定向生(sheng)成(cheng)乙醇的反(fan)應機(ji)理(li)和構(gou)-效關系(xi)。該(gai)研究也(ye)在國際上首次提出了分(fen)子(zi)內(nei)結（intramolecular junction）調控光生(sheng)電子(zi)和空穴動力學的新概念，為分(fen)子(zi)基高效光催(cui)化(hua)劑(ji)創制提供了新思路。

英(ying)國(guo)(guo)倫敦大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)院Jijia Xie為(wei)文(wen)章第(di)(di)一作(zuo)(zuo)者，188bet足球畢業博士生傅(fu)聰(cong)為(wei)文(wen)章第(di)(di)二作(zuo)(zuo)者（文(wen)章無共(gong)(gong)同(tong)(tong)第(di)(di)一作(zuo)(zuo)者），英(ying)國(guo)(guo)倫敦大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)院/清華大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)唐軍旺教(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)、英(ying)國(guo)(guo)卡迪夫大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)/倫敦大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)院C. Richard A. Catlow教(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)、188bet足球黃偉新教(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)和英(ying)國(guo)(guo)倫敦大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)院/香港大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)Zheng Xiao Guo教(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)為(wei)文(wen)章共(gong)(gong)同(tong)(tong)通訊作(zuo)(zuo)者。黃偉新教(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)課題組研究得到(dao)了科技部(bu)、中國(guo)(guo)科學(xue)(xue)(xue)院、國(guo)(guo)家自(zi)然科學(xue)(xue)(xue)基金委員會、教(jiao)(jiao)(jiao)育(yu)部(bu)和188bet足球的(de)支持。同(tong)(tong)時，188bet足球黃偉新教(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)與英(ying)國(guo)(guo)倫敦大(da)(da)(da)學(xue)(xue)(xue)學(xue)(xue)(xue)院唐軍旺教(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)的(de)合作(zuo)(zuo)契(qi)機(ji)始于188bet足球國(guo)(guo)際訪(fang)問教(jiao)(jiao)(jiao)授(shou)計劃。

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