娄阳/朱永法Carbon Energy: 光与热耦合催化甲烷转化的研究进展

雨辰

2021-07-31

将甲烷转化为高附加值化学品对于甲烷的利用和初级化工产品的工业需求具有重要意义。但甲烷的非极性结构和C-H键的高键能(4.57 eV)，使得难以在温和条件下实现甲烷的活化和转化。光热协同策略结合了光子能和热能，为实现高效甲烷转化提供了先进的技术。

有鉴于此，江南大学娄阳教授和朱永法教授等人，综述了近年来甲烷光热间接转化的研究进展，并介绍了甲烷光催化和热催化直接转化的研究进展，以提供对甲烷活化的基本理解。最后，讨论了单原子催化剂上的甲烷光热协同直接转化所面临的挑战和前景。

本文要点

1）甲烷光热间接转化有两种机制:热载流子或电子-空穴对机制。在热载流子机制中，等离子体金属结构催化剂可以被光辐射激发，这使得能够引入丰富的高能热载流子。相应地，热载流子将转移到相邻的半导体或与纳米颗粒表面上吸附的分子（如CH₄）相互作用。在电子-空穴对的机理中，整个过程类似于一般的光催化过程，涉及空穴和电子上的氧化反应和还原反应。

2）光催化和热催化的耦合在促进甲烷转化中起着重要作用。以Rh/TiO₂催化剂为例，等离子体金属纳米结构的存在显著提高了Rh/TiO₂在光照条件下的催化能力。LSPR产生的热载流子在反应过程中起着关键作用，包括增强金属表面电场和协助吸附甲烷分子的C-H活化。光生电子和空穴是促进催化活性的另一个关键因素，驱动氧化和还原反应通过半导体或负载金属颗粒表面的自由基途径实现甲烷转化。

3）虽然目前在光热协同已经取得显著的进展，仍要克服很多挑战：（1）由于在复杂体系中检测反应中间体的困难，光催化和光热催化反应系统的反应机理尚不清楚；（2）需要研究出新的甲烷直接转化的催化体系，尤其是甲烷的部分氧化；（3）设计和开发非贵金属催化剂用于光热协同甲烷转化；（4）高分散金属（单原子）催化剂体系的进一步开发。

参考文献：

Zengzan Zhu et al. Research progress on methane conversion coupling photocatalysis and thermocatalysis. Carbon Energy, 2021.

DOI: 10.1002/cey2.127

https://doi.org/10.1002/cey2.127