王梁炳&曾杰Angew综述：甲烷的光催化转化：最新进展与展望
Nanoyu
储量丰富、价格实惠的甲烷不仅是优质化石能源，也是合成高附加值化学品的原料。太阳能驱动的光催化甲烷转化为在温和的条件下将甲烷直接转化为有价值的能源提供了一种很有前途的方法，但目前仍是一个巨大的挑战。
近日，中南大学王梁炳教授，中科大曾杰教授系统地综述了近年来光催化甲烷转化的研究进展。从光吸收单元和活性中心的角度对构建有效的半导体基光催化剂提出了见解，并进行了详细的讨论。此外，还总结了各种催化剂上甲烷转化的光催化性能，并按氧化剂体系进行了分类。最后，概述了光催化甲烷氧化机理研究和实际应用面临的挑战和前景。
文章要点
1）高效光催化剂的结构基本上可以分为两个单元，即吸收单元和活性中心。吸收单元负责甲烷光催化转化的前奏步骤，通过吸收光产生热电子-空穴对。活性中心有助于甲烷的活化，如甲烷的极化活化、甲烷的缺电子/富电子活化和活性自由基的产生。
2）在甲烷光氧化反应中，常用的氧化剂有O2、CO2、H2O和H2O2。根据所用氧化剂的不同，甲烷光氧化又可分为甲烷-氧气体系、甲烷-水体系、甲烷-过氧化氢体系、甲烷-二氧化碳体系和甲烷-NOx体系。在无氧化剂的情况下，甲烷的光催化非氧化偶联反应（NOCM）通过偶联反应将甲烷转化为氢气和高级烃。作者总结了不同体系中的具体反应，包括TOM/POM、SRM/DRM、甲烷氧化偶联(OCM)、BRM和NOCM等代表性工作。
3）甲烷光催化氧化具有反应条件温和、能耗低、操作简单、无二次污染等优点，在促进甲烷直接转化为高附加值化学品方面显示出巨大的潜力。迄今为止，各种光催化剂如TiO2、ZnO、WO3、g-C3N4和CeO2已成功应用于甲烷的光氧化。为了提高它们的催化性能，人们进行了大量的研究。为了提高太阳光的利用率，促进光生载流子的分离，构建活性中心，开发了诸如异质化、负载型金属纳米颗粒以及掺杂等策略。在各种体系中，甲烷光催化直接转化包括OCM、POM、SRM、DRM、BRM和NOCM都已经取得了极大进展。然而，甲烷的光氧化还处于初级阶段，还有许多挑战有待解决。例如，关于甲烷光氧化机理的研究仍不够深入，特别是对C−H键的活化机理、过氧化的抑制以及高碳烃的选择性合成等方面的研究还不够深入。此外，实验所得的催化性能仍远远低于工业生产的要求。
参考文献
Qi Li, et al, Photocatalytic Conversion of Methane: Recent Advancements and Prospects, Angew. Chem. Int. Ed., 2021
DOI: 10.1002/anie.202108069
https://doi.org/10.1002/anie.202108069