作為天然氣、頁巖氣等主要成分的甲烷具有儲量相對豐富和價格低廉的優(yōu)勢，在替代石油生產(chǎn)液體燃料和基礎化學品領域是學術界和產(chǎn)業(yè)界研究和發(fā)展的核心之一。

甲烷的含氧衍生物，尤其是醇類衍生物，被認為是碳-化學的支柱；而甲烷是最穩(wěn)定的有機小分子，C-H鍵活化后卻得到高活性的中間物種，容易發(fā)生過度活化并徹底礦化。

正因為有著廣闊的前景和巨大的挑戰(zhàn)，甲烷的選擇性活化和定向轉化是世界性難題，被譽為催化乃至化學領域的“圣杯”。迄今為止，甲烷的轉化通常采用間接法：在高溫下通過水蒸氣重整將甲烷轉化為合成氣，再通過費托合成獲得多碳的基礎化學品；或由合成氣制備甲醇，再生產(chǎn)其它化學品。該轉化路線冗長，能耗高，過程中排放大量溫室氣體二氧化碳，不僅帶來環(huán)境負荷，也使總碳的利用率不到一半。因此，科學家一直在努力探索甲烷直接轉化利用的方法。

光催化直接轉化可以打破傳統(tǒng)熱力學平衡的束縛，使甲烷的轉化可以在低溫常壓下進行。近日，中國科學院上海硅酸鹽研究所研究員王文中帶領的科研團隊在甲烷的光催化轉化研究方面取得新進展。

基于銅修飾氮化碳的高效光催化甲烷直接轉化

該團隊設計并制備出銅修飾氮化碳材料，實現(xiàn)甲烷向乙醇的光催化直接轉化，并對該過程的機制進行了較為深入的研究。

針對甲烷容易發(fā)生過度活化并徹底礦化的問題，從活性氧物種的生成以及甲烷的吸附活化兩個角度出發(fā)，研究團隊通過在氮化碳材料的有序空腔中進行銅修飾，不僅實現(xiàn)了羥基自由基的原位生成，還促進了材料對甲烷C-H鍵的活化以及對高活性中間物種的穩(wěn)定。

該材料表現(xiàn)出卓越的光催化甲烷轉化性能，乙醇的產(chǎn)率達到106 μmol g^-1 h^-1，為目前相關領域報道的最優(yōu)值。

深入研究表明，除了自由基機制以外，該材料中的銅物種與鄰近碳原子存在協(xié)同效應，使得轉化過程沿著甲烷-甲醇-乙醇的路徑進行。該工作提出了溫和條件下甲烷向液體燃料直接轉化的新策略，有助于加深對多碳產(chǎn)物的形成機制的認識。

相關研究結果發(fā)表于Nature Communications，并申請中國發(fā)明專利一項（201811339733.2），第一作者為上海硅酸鹽所博士生周沅逸。

Zhou Y, Zhang L, Wang W. Direct functionalization of methane into ethanol over copper modified polymeric carbon nitride via photocatalysis[J]. Nature communications, 2019, 10(1): 506.