由于單一光化學過程中能量/質量傳遞緩慢和化學驅動力不足，光催化甲烷（CH₄）升級為高附加值化學品具有重大意義，特別是C₂產物，但也是一個挑戰。

2024年12月1日，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所徐勇研究員、廈門大學黃小青教授、西安交通大學劉茂昌教授在國際頂級期刊Nature Communications發表題為《Selective light-driven methane oxidation to ethanol》的研究論文，薛飛、張春陽、程誠為論文共同第一作者，徐勇研究員、黃小青教授、劉茂昌教授為論文共同通訊作者。

徐勇，中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員。2013年于中國科學技術大學獲得博士學位（意大利國家核物理研究院Frascati國家實驗室聯合培養）。2014-2017年在蘇州大學從事博士后研究（美國勞倫斯伯克利國家實驗室聯合培養）；2017-2020年任蘇州大學副教授；2020-2023年任廣東工業大學教授；2024年加入蘇州納米所任研究員。

徐勇研究員以貴金屬催化劑的設計與開發為基礎，圍繞催化劑可控合成、活性中心結構調控及催化劑構效關系探索等方面開展了系統研究。迄今已發表論文120余篇，其中包括Nature Synthesis、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等。

黃小青，廈門大學化學化工學院教授，國家杰青。2005年本科畢業于西南師范大學（現西南大學），2011年在廈門大學獲博士學位，導師：鄭南峰教授、鄭蘭蓀教授。2011-2014年在美國加州大學洛杉磯分校從事博士后研究，合作導師：黃昱教授和段鑲鋒教授，2014年至今先后就職于蘇州大學、廈門大學。

黃小青教授的研究興趣為貴金屬納米材料的精準制備及其電、熱、光催化應用研究。

劉茂昌，西安交通大學能源與動力工程學院教授，國家級青年人才。2007年、2014年獲西安交通大學學士和博士學位（博士導師：郭烈錦院士），攻博期間赴美留學，在圣路易斯華盛頓大學和佐治亞理工學院做聯合培養博士，師從華人科學家夏幼南院士。

劉茂昌教授一直致力于太陽能-氫/碳氫燃料的高效低成本轉化基礎理論的研究以及相應催化材料、體系和系統的設計與開發。截至2023年5月，在Nature Energy、Nature Commun、PNAS、Energy Environ. Sci.等國際知名期刊發表SCI一作/通訊作者論文60余篇。

在此，作者在Cu₉S₅和Cu單原子（Cu₉S₅/Cu-CCN）修飾的晶體氮化碳（CCN）上實現了太陽能驅動的CH₄氧化為乙醇（C₂H₅OH）。

光熱效應和光催化的結合克服了CH₄轉化為C₂H₅OH的瓶頸，其中Cu₉S₅成為將太陽能轉化為熱能的熱點。

原位表征表明，Cu單原子作為O₂還原為·OOH/·OH的電子受體，而Cu₉S₅作為空穴受體和CH₄吸附、C-H活化和C-C偶聯的位點。密度泛函理論（DFT）計算表明，Cu₉S₅/Cu-CCN通過穩定·CH₃和·CH₂O來降低C-C耦合能壘。

更為重要的是，C₂H₅OH的產率達到549.7 μmol g^-1 h^-1，選擇性為94.8%，表觀量子效率為0.9%（420 nm）。

這項工作為CH₄轉化為高附加值化學品提供了一條可持續的途徑。

圖1：Cu₉S₅/Cu-CCN的合成和電子顯微鏡表征

圖2：結構表征

圖3：甲烷氧化性能

圖4：光驅動甲烷氧化的機理研究

圖5：機理研究和密度泛函理論（DFT）計算

綜上，該論文研究了通過光催化技術將甲烷（CH₄）選擇性氧化為乙醇（C₂H₅OH），開發了一種基于硫化銅（Cu₉S₅）和銅單原子修飾的晶體氮化碳（Cu₉S₅/Cu-CCN）的光催化劑。研究成功實現了太陽能驅動的甲烷到乙醇的轉化，展現了高效的光熱效應和光催化性能，具有重要的能源和環境意義。

這不僅為甲烷轉化提供了一種可持續的途徑，有助于減少溫室氣體排放和實現碳中和，而且對化學工業、能源轉換、材料科學等領域的研究和應用具有重要的推動作用，展示了在溫和條件下從甲烷制備C²⁺含氧化物的選擇性催化的新途徑。

Xue, F., Zhang, C., Cheng, C.?et al. Selective light-driven methane oxidation to ethanol.?