甲烷在[Vo]-Cu-WO3光催化剂上定向选择转化为甲醛。图片经过修改，原图取自于《自然通讯》相关文章。
(原新闻稿已于5月28日发布)
香港大学(港大)化学系郭正晓教授、清华大学化学工程系唐军旺教授与伦敦大学学院研究人员共同开发了一种高活性和高选择性的催化材料（highlyactiveandselectivecatalyticmaterial）。这种创新材料源于三氧化钨（WO3催化剂），能够高效地转化温室气体甲烷为广泛应用于工业的化学物质甲醛。该材料具有双活性位点，由铜和钨原子物种组成，在它们的协同作用下，可确保高效和高选择性的转化过程。在可见光下，该转化过程可实现近乎%的选择性，避免产生不必要的副产品，有望减低甲烷对气候变化的负面影响，以及开拓化工业的低碳能源和资源的生产与处理方式。这项发现刚刚在著名科学期刊《自然通讯》上发表。
甲烷是天然气的主要成份，是许多化学品广泛使用的碳源。然而，它也是一种强效的温室气体，其导致全球暖化的能力比二氧化碳高出70多倍。因此，将甲烷「催化转化（即将甲烷转化为其他化学物质）」为实现「净零碳」能源和化学品带来巨大的机遇，同时亦可帮助解决全球暖化的问题。由于甲烷是一种非常稳定的分子，使其难以在温和的环境下被激活，而且在激活后所产生的物质亦很杂乱。因此，对化学家而言，在甲烷转化中实现高活性和高选择性是一个重大挑战，而分子间碳氢键的选择性活化更是催化领域中最难以捉摸的「圣杯」之一。
另一方面，甲醛是一种被大量生产的商业化学品，其市场价值高达80亿美元，而复合年均增长率（CompoundAnnualGrowthRate）为5.7％。它被应用于家庭、商业、航空、医疗和汽车产品，并作为三聚氰胺、脲醛和酚醛树脂等重要前驱物（precursor）。此外，甲醛也用于制造疫苗、抗感染药物和硬胶囊等。目前，甲醛的生产通常使用银或金属氧化物催化剂，经由甲醇氧化脱氢反应而产生。然而，这过程必须在高反应器里进行，其温度超过-°C，因而导致大量的二氧化碳排放和能源损失。
在这项研究中，团队发现了一种利用太阳光将甲烷气体转化为甲醛的新方法。他们发现在氧化钨上分散的铜原子和处于还原态的钨原子能产生协同作用，使其在可见光下展现出卓越的光催化特性，将甲烷转化为甲醛。该过程表现出近乎％的选择性和高转化效率，明显比已经被广泛研究及应用的光催化剂优胜（具有转换频率TOF=8.5×μmol（HCHO）·g-1（辅助催化剂）·h-1）。
通过机理分析，铜有助于电子迁移并创建反应性分子物种，而钨则有助于活化甲烷气体。具体地说，即铜作为电子受体，促进从导带到双氧吸附物的光诱导电子转移，并产生具有强氧化性的过氧化氢自由基（HOO·），这些自由基可以参与催化反应并促进甲烷的转化。同时，具有部分正电荷的相邻钨原子起了孔受体（holeacceptor）的作用，能促进电荷传递。钨原子的正电荷能吸引水分子，使其成为首选的吸附和活化位点，从而产生了羟基自由基（hydroxylradical），于是能有效地将甲烷活化为甲基自由基。因此，相邻的双活性位点的协同作用极大地增强了转化过程的整体效率和单一产物的选择性。
这一发现为进一步研究和开发各种化学转化的新型光催化剂开辟了新的路径，促进了化学工业中更可持续和高效发展的转化过程。论文通讯作者之一的郭正晓教授表示：「以太阳能转化甲烷既能实践低碳化学合成，又能为其效能增值。然而，产品选择性和生产效率是成功的关键。这须深入地了解转化机制，并精心设计催化剂，以及采用功能互补的检测技术来确认催化剂的性能——这是一个需要强大协作精神的跨学科任务，而我们的团队成功地完成了这些任务，并得到比预期更好的成果！」
相关论文：‘Nearly%selectiveandvisible-light-drivenmethaneconversiontoformaldehydevia.single-atomCuandWδ+’(NatureCommunications,)
论文连结：