苏州纳米所/厦大/西交Nature子刊: 光热效应协同光催化，实现选择性CH4氧化为C2H5OH

原则上，光催化CH₄氧化成C₂产物的光催化剂应该具有优异的C-H活化能力和随后的C-C偶联能力。在过去的几十年中，人们已经付出了大量的努力来设计对全光谱具有强吸收的催化剂，同时增强光生载体的分离，以及在光照下增强稳定性。然而，CH₄光催化氧化至目标产物，特别是C₂化学品仍然是困难的。

最近有研究报道，除了经典的光催化过程之外，光催化剂可以吸收光并将其转化为热，这被称为光热效应。此外，催化剂的光热效应将快速加热活性中心周围的局部温度，从而产生热电子以提高催化性能。在这种情况下，将光热效应与光催化过程相结合触发CH₄氧化生成C₂产物极具吸引力。

近日，中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所徐勇、厦门大学黄小青和西安交通大学刘茂昌等通过光热效应和光催化过程的协同作用，成功地实现了Cu₉S₅纳米粒子(NPs)和Cu单原子修饰的氮化碳晶体(Cu₉S₅/Cu-CCN)上CH₄选择性氧化为C₂H₅OH。

结果表明，Cu₉S₅/Cu-CCN在420 nm处的C₂H₅OH选择性和生产速率分别为94.8%和549.7 μmol g^-1 h^-1，AQE为0.9%，优于目前所有已报道的光催化剂。此外，Cu₉S₅/Cu-CCN催化剂在连续10个循环反应过程中保持稳定的C₂H₅OH选择性和生产速率，稳定性测试后样品的结构和形貌保持不变，显示出优异的稳定性。

一系列光谱表征和理论计算证实，Cu₉S₅纳米粒子和Cu单原子分别充当空穴和电子受体，显著增强光生电子-空穴对的分离。

同时，研究人员还揭示了CH₄光氧化生成C₂H₅OH的途径：首先，光生电子迁移到Cu单原子上，吸附的O₂与电子反应生成•OOH和•OH自由基。光生空穴迁移到Cu₉S₅纳米颗粒上，吸附的CH₄被氧化成•CH₃。随着•OOH/•OH自由基与•CH₃的进一步相互作用，生成•CH₃OH/•CH₃OOH中间体，并进一步氧化脱水生成•CH₂O。最后，•CH₃和•CH₂O耦合产生C₂H₅OH。

更重要的是，Cu₉S₅纳米粒子还能将吸收的光转化为热能，强烈地提高催化剂的表面温度，即光热效应，降低了反应能垒，极大地促进了CH₄向C₂H₅OH的转化。

Selective light-driven methane oxidation to ethanol. Nature Communications, 2024.

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苏州纳米所/厦大/西交Nature子刊: 光热效应协同光催化，实现选择性CH4氧化为C2H5OH

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