2023新晋院士，最新JACS！

第一作者：蒋雨恒，范英英，Xiaolong Liu, Jun Xie

通讯作者：唐智勇

通讯单位：国家纳米科学中心，中国科学院大学

唐智勇，中国科学院院士，国家纳米科学中心研究员，博士生导师，纳米系统与多级次制造中科院重点实验室主任， 国家杰出青年科学基金获得者 ， 科技部纳米重大研究计划首席科学家。 研究方向主要集中在自组装纳米材料的可控制备，形成机理，及在光电能源领域的应用。（信息来源：http://tjmos.tju.edu.cn/info/1052/1285.htm）

论文速览

通过光催化氧化甲烷（CH₄）生成甲酸（HCOOH）是一种有效的方法，该过程不仅能够生产附加值高的化学品，还能利用可再生能源。尽管如此，实现高产量和选择性生成甲酸一直是一个挑战，主要是因为调节甲烷活化后中间体的转化和脱附过程非常复杂。

本研究利用第一性原理计算作为指导工具，发现通过精确控制贵金属助催化剂上的O₂活化过程以及金属氧化物载体上含碳中间体的吸附强度，可以精细调节甲烷光催化产物的选择性。特别是，由Pd纳米颗粒和单斜相WO₃（Pd/WO₃）组成的双功能催化剂具有最佳的O₂活化动力学和中间氧化/脱附势垒，从而促进了甲酸的形成。实验结果表明，在室温下使用分子O₂进行全光谱光照射，Pd/WO₃催化剂实现了4.67 mmol g_cat^-1 h^-1的甲酸产量和62%的高选择性，这些结果明显优于在相同条件下运行的现有光催化系统。

图文导读

图1：光催化甲烷氧化用负载催化剂的理论计算。

图2：光催化的表征。

图3：评估不同催化剂在光催化甲烷氧化中的性能。

图4：通过超快瞬态吸收（TA）测量，研究光生载流子的分离和迁移。

图5：原位漫反射傅里叶变换红外光谱（DRIFTS）研究Pd_0.25/WO₃和Pt_0.25/WO₃在O₂和H₂O或Ar和H₂O存在下的光催化甲烷氧化中间体。

图6：利用原位DRIFTS详细分析Pd_0.25/WO₃、Pd_0.25/TiO₂和Pd_0.25/ZnO在CH₄、O₂和H₂O存在下光催化甲烷氧化的反应路径。

总结展望

本研究通过理论计算指导设计了新型的光催化剂Pd/WO₃，实现了在温和条件下甲烷的高效选择性氧化。通过精确调控中间体的进一步氧化与脱附的能量差异，成功地提高了甲酸的产率。

实验结果显示，在全光谱光照射和室温条件下，Pd/WO₃催化剂能够实现4.67 mmol g_cat^-1 h^-1的甲酸产量和62%的选择性，明显优于现有技术。该研究不仅为甲烷转化提供了新的策略，也为其他挑战性反应催化剂开发提供了理论和实验基础。

 文献信息

标题：Steering Photooxidation of Methane to Formic Acid over A Priori Screened Supported Catalysts

期刊：Journal of the American Chemical Society

DOI：10.1021/jacs.4c03083