华东理工大学王灵芝/张金龙教授团队JACS：设计三相界面实现光催化甲烷选择性转化制乙醇

利用光催化直接将CH₄氧化为C₂H₅OH同时涉及到碳链增长和羟基化，是一项具有吸引力但也充满挑战的任务。这种困难主要源自于，在用于浓缩和活化CH₄的高压粉末悬浮体系中，CH₄在富含活性氧自由基的环境中容易被过氧化。同时，相比碳正中心自由基，高压体系中容易形成过量的活性氧自由基（ROR），ROR对产物C₂H₅OH中的C–C键有较强的亲核进攻倾向，导致对C1产物的选择性更高。

基于上述挑战，华东理工大学王灵芝教授（点击查看介绍）/张金龙教授（点击查看介绍）团队围绕如何形成浓度相当的•CH₃与•OH，设计了基于三相界面漂浮膜策略的CH₄选择性制C₂H₅OH光催化体系。在前期利用水凝胶的动态收缩−回弹行为促进芬顿反应中金属离子价态的可逆转换的研究基础上（Chem. Mater. 2024, 36, 3316），结合冷冻干燥和金属离子交联策略，构建了包埋C₃N₄的Fe(III)-交联的大孔海藻酸盐水凝胶膜（Fe(III)@ACN）。该凝胶的轻质大孔结构使其可以稳定漂浮在气−水界面，形成气−固−液三相界面，通过缩短气体的扩散路径在常压下促进CH₄分子与孔道内部活性物种的接触。Fe(III)@ACN的亲水性促进了在光照下C₃N₄上水氧化反应（WOR）原位产生H₂O₂的速率；同时，光生电子还原生成的Fe(II)触发了与H₂O₂之间的Fenton反应生成•OH；三相界面处增强的气体传质有助于CH₄与•OH反应生成•CH₃，最终在•CH₃与•OH浓度匹配的条件下，促进碳链增长，实现从CH₄到CH₃OH再到C₂H₅OH的转化。Fe(III)@ACN催化剂在常温常压下表现出优异的活性，醇类选择性达到96%，其中包括90%的C₂H₅OH。无需添加贵金属的情况下，C₂H₅OH的生成速率达到171.7 μmol g⁻¹ h⁻¹。

这一成果近期发表在Journal of the American Chemical Society 上。该论文以华东理工大学为唯一通讯单位，博士研究生贺春为第一作者，王灵芝教授和张金龙教授为共同通讯作者。

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Photocatalytic Conversion of Methane to Ethanol at a Three-Phase Interface with Concentration-Matched Hydroxyl and Methyl Radicals

Chun He, Lan Shang, Hongfu Zhu, Lianchao Yu, Lingzhi Wang*, and Jinlong Zhang*

J. Am. Chem. Soc., 2024, DOI: 10.1021/jacs.4c01366

王灵芝，华东理工大学教授，博士生导师，上海市晨光学者，浦江学者。2007至今于华东理工大学任教。主要研究方向CH₄, CO₂光催化转化；金属SPR、纳米半导体SERS技术在分子检测及等离子共振光催化反应中的应用；负载型环境污染物深度净化材料的构建。目前担任期刊Applied Catalysis B和Ecoenergy的青年编委。已在包括Chem. Soc. Rev., Nat. Commun., Chem, J. Am. Chem. Soc.，Angew. Chem. Int. Ed.等高影响力期刊上发表文章160余篇，多篇工作入选封面或者亮点文章。发表论文累计8400 余次，H因子53。研究成果获2017 年上海市自然科学奖一等奖以及2023年由Elsevier和国际化学工程师协会联合颁发的碳捕获科学技术杰出研究奖，并入选2022及2023年度全球前2%顶尖科学家榜单。

https://www.x-mol.com/university/faculty/10506 

张金龙：上海多介质环境催化与资源化工程技术研究中心主任；民盟第十三届中央委员、上海市第十六届人大代表；2019年当选欧洲科学院院士（外籍）；华东理工大学“汇贤学者”讲席教授；博士生导师。张金龙教授于1985年和1993年在华东理工大学分别获得本科和博士学位，1996-2000年于日本大阪府立大学从事博士后工作研究，1993年开始于华东理工大学任教。张金龙教授多年从事高效光催化材料的设计、制备及在环境和能源领域中的应用，有机功能染料的设计和合成。目前已在权威国际刊物Nat. Comm., Chem.，Chem. Soc. Rev.，Chem. Rev.; J. Am. Chem. Soc.，Angew Chem Int Ed等国际一流杂志上发表论文600余篇，被引用40000余次，H因子105。连续10年入选Elsevier公布的2014- 2023年度中国高被引学者，入选2018-2023年度科睿唯安“全球高被引科学家”（Highly Cited Researchers）。

https://www.x-mol.com/university/faculty/10415