我国科学家实现甲烷向乙醇的高效转化

记者24日从清华大学了解到，该校工业催化中心唐军旺课题组开发了一种新型分子结光催化剂，可以高效氧化甲烷为乙醇。相关研究成果已在网上公布。

甲烷是天然气和页岩气的主要组成部分，也是化学合成的重要碳源。将甲烷部分氧化为多碳化合物是实现我国天然气资源高价值利用、促进能源化学低碳转型的重要技术路径。然而，甲烷分子的高度对称性和稳定性使甲烷转化反应的活性降低。此外，传统的甲烷转化依赖于高温高压环境，需要通过一氧化碳中间产物进行多步反应，效率低下，副产物多。在这种情况下，研究人员迫切需要在温和的条烷下开发甲烷，以便高效利用甲烷，实现清洁燃料和绿色化学品的合成。

唐军旺说:“我们的研究目标是在温和的条件下，开发将甲烷一步步转化为更有价值的碳二产品(如乙醇)的技术，不需要经过一氧化碳的中间步骤。

为此，研究小组采用了一种分子内结光催化剂——CTF-其交替的苯环和三嗪基团能将甲烷偶联并氧化成乙醇，显著提高了选择性和转化率。

唐军旺表示，这种异质结构不仅可以实现电荷生成后的高效持久分离，还可以优先将水分子和氧分子吸附在三嗪单元和苯单元上。

经过近十年的持续研究，唐军旺研究团队成功利用“分子内结”实现了多个关键步骤的突破，包括控制光生电子和空穴在空间上的分离、催化剂氧化和还原反应点的物理分离、控制甲烷和氧气吸附点、控制反应中间体和强氧化点的分离。

唐军旺说:“这些步骤最终实现了甲烷的高转化率和目标产品的高选择性，甲烷可以一步氧化，高效产生乙醇。”

据了解，这一研究成果为开发高效稳定的光催化剂提供了重要参考，有望促进光催化技术在甲烷转化和高附加值化学物质合成领域的应用，对能源和化工产业的可持续发展具有重要意义。