1. 文章信息

標題：Water-triggered photocatalytic oxidative coupling of methane toward C2H6 over Au/GaN nanoarchitecture

中文標題：水觸發的Au/GaN納米結構光催化甲烷氧化偶聯制備乙烷

頁碼：103033

DOI：10.1016/j.chempr.2026.103033

2. 文章鏈接

https://doi.org/10.1016/j.chempr.2026.103033

3. 期刊信息

期刊名： Chem 

ISSN： 2451-9294 

2025年影響因子： 19.4 

分區信息： SCI化學一區 

涉及研究方向： 光催化、甲烷氧化偶聯 

4. 作者信息：第一作者是 李亦昕 。通訊作者為 周寶文教授 。

5.產品型號：CEL-HXF300-S;

研究背景及出發點

隨著石油資源的日益枯竭，豐富且廉價的天然氣(甲烷)已成為生產高附加值化學品的理想替代原料。將甲烷直接轉化為乙烷具有重要的工業價值，但甲烷分子中C-H鍵的高度惰性和對稱結構使得這一轉化挑戰性。傳統工業路線需要高溫(>700°C)和高壓(>3 MPa)條件，能耗高、成本昂貴。

光催化技術為甲烷轉化提供了綠色可持續的解決方案。目前，光催化甲烷氧化偶聯(OCM)主要使用O2或H2O2作為氧化劑，但O2易導致甲烷過度氧化生成CO2，選擇性低；H2O2雖能提高選擇性，但成本較高，經濟性欠佳。因此，開發一種經濟、環保且高效的氧化劑用于光催化甲烷制乙烷具有重要意義。

成果概述

上海交通大學周寶文教授團隊在國際頂級期刊Chem上發表了題為"Water-triggered photocatalytic oxidative coupling of methane toward C2H6 over Au/GaN nanoarchitecture"的研究論文。該工作實現了以水作為綠色氧化劑，在太陽光驅動下高效、高選擇性地將甲烷轉化為乙烷。

研究團隊設計了金納米顆粒修飾的氮化鎵納米線(Au/GaN NWs)光催化劑。在6.3 W·cm-2的集中光照射下，該催化劑實現了112.6 mmol·g-1·h-1的乙烷生成速率，乙烷選擇性高達94.9%，甲烷轉化率為1.75%。更重要的是，催化劑在256小時的連續運行中保持穩定，轉化數(TON)達到40，824 mol C2H6/mol Au，遠超現有報道大部分光催化體系。

圖文解析

催化劑的精準構筑

研究團隊采用等離子體輔助分子束外延(MBE)技術在4英寸硅片上生長出垂直排列的GaN納米線陣列，隨后通過光沉積法將金納米顆粒(平均直徑6.7 nm)均勻負載在納米線表面。這種一維納米結構有利于光吸收、載流子分離和表面化學反應的解耦。

高分辨透射電鏡和元素分布表征證實了Au/GaN界面的成功構建。差分電荷密度分析顯示，GaN向Au轉移了約0.2094個電子，形成了強電子相互作用，有利于光生載流子的快速轉移。時間分辨熒光光譜顯示，Au修飾后GaN的平均載流子壽命從3.15 ns降至1.89 ns，證明了高效的電荷轉移過程。

圖1 Si晶圓上生長Au納米顆粒修飾的GaN納米線結構表征

水的關鍵作用

對比實驗表明，在相同條件下，引入水后乙烷的生成速率顯著提高，選擇性從非氧化偶聯的較低水平提升至94.9%。而使用O2或H2O2作為氧化劑時，雖然總產物生成速率更高，但乙烷選擇性僅約10%，主要產物為CO和CO2。

動力學研究揭示，水的引入使甲烷轉化為乙烷的表觀活化能從5.12 eV大幅降低至1.29 eV。在不同光強下，水參與反應的乙烷生成活性約為純熱催化的22倍，證明了光生載流子和水在反應中的主導作用。

圖2 水介導光驅動CH4氧化偶聯反應催化性能

反應機理解析

通過原位電子順磁共振(EPR)、原位漫反射紅外傅里葉變換光譜(DRIFTS)、光照X射線光電子能譜(XPS)以及同位素標記實驗，研究團隊揭示了水觸發甲烷偶聯的完整機理：光照下，GaN價帶電子被激發至導帶，光生空穴被Au納米顆粒捕獲，空穴氧化水分子生成高活性的·OH自由基，·OH通過氫交換機制活化甲烷的C-H鍵，生成·CH3自由基，隨后自偶聯生成乙烷。

密度泛函理論(DFT)計算進一步證實，Au/GaN界面獨特的表面性質促進了水的活化。·OH傾向于吸附在Ga位點(吸附能-2.99 eV)，而·CH3優先吸附在Au位點(吸附能-2.46 eV)。這種強相互作用穩定了中間體，抑制了過度氧化和積碳，從而提高了反應的選擇性和穩定性。

圖3 水介導光驅動CH4氧化偶聯原位光譜表征和同位素相關實驗

圖4 DFT反應機理驗證

實際應用驗證

為了驗證該技術在真實世界的可行性，研究團隊搭建了一套配備菲涅爾透鏡的戶外聚光反應裝置。在自然日光的直接驅動下，隨著一天中光照強度的變化，C2H6的產率表現出相應的動態響應，最高產率突破20 mmol·gcat-1·h-1。在16小時的戶外連續運行中，系統穩定輸出了211 mol C2H6/mol Au。

圖5 在室外實驗及性能示意圖

總結與展望

本研究實現了以水作為綠色氧化劑的光催化甲烷制乙烷，突破了傳統氧化劑的局限性。通過精心設計的Au/GaN納米結構，實現了高活性、高選擇性和高穩定性的統一。水衍生的·OH自由基通過氫交換機制顯著降低了反應能壘，同時抑制了積碳和過度氧化。

這項工作為利用太陽能、水和甲烷生產高附加值化學品提供了一條低碳、可持續的新路徑,在"雙碳"目標背景下具有重要的科學意義和應用前景。未來,進一步優化催化劑結構、提高光利用效率,有望推動該技術走向實際應用。