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两位院士领衔,华东师范大学,Nature Photonics!

2025-12-17
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研究背景


鉴于大气中CO2浓度持续上升带来的严峻挑战,以及页岩气革命推动CH4成为有前景的低碳石油替代品,将CH4和CO2转化为燃料和化学品是实现碳中和目标的迫切需求。


关键问题


目前,CH4和CO2转化的研究主要存在以下问题:

1、惰性分子的高效活化十分困难

CH4具有几何对称性且C–H键能较低(413 kJ mol⁻¹),而CO2的C=O键能很高(803 kJ mol⁻¹),这些高惰性分子的高效耦合转化是目前研究面临的关键挑战。传统热催化需要高温(>700°C)和高压,导致成本高昂和催化剂失活。

2、传统转化路径的局限性

现有转化途径通常依赖于金属催化剂和高温高压,导致需要大量的热量输入、运行成本高和催化剂严重失活;替代的光催化法也受限于低光吸收和电荷载流子复合等不足,半导体光催化则存在光吸收率低和电荷复合严重等问题。

 

新思路


有鉴于此,华东师范大学韩布兴院士、何鸣元院士、吴海虹教授、上海交通大学周宝文副教授等人报告了一种创新的、无催化剂策略,通过光将CH4和CO2转化为CO/H2和C2H6。实验发现,波长为185 nm的高能光子能够引发该反应,并且额外使用不同能量的长波长光子可以进一步提高反应效率。特别是,结合185 nm和200–1,100 nm光子,CO、H2和C2H6的生产速率分别达到了3.1 mmol m⁻³ h⁻¹、1.93 mmol m⁻³ h⁻¹和2.53 mmol m⁻³ h⁻¹。实验还发现,适量的H2O添加能够显著促进反应。此外,在模拟无氧环境的实验中,总气体转化率达到1.51%(24小时)。这项工作开辟了一条在环境条件下,无需使用任何催化剂,利用CH4和CO2生产燃料和化学品的光明途径。

技术方案:

1、探究了高能光子引发的无催化剂转化性能

作者通过自制石英反应器在环境条件下,用185 nm紫外线光催化转化CH4和CO2,实现CO、H2、C2H6等产物同步生成,证实185 nm高能光子是关键。

2、研究了多能光子协同增强效应

通过引入第二光源,协同不同波长光子提高CH4和CO2转化效率。全光谱辅助光源显著增强产物产量,紫外、可见、红外光协同作用最佳。

3、分析了反应机理与中间体

原位FT-IR、EPR和LC-MS分析反应过程,发现了活性自由基和中间体。DFT计算揭示了185 nm光子促CH4分解,多能光子协同促进CH4和CO2转化。

4、验证了H2O的作用并模拟了外太空环境

DFT计算揭示H2O在185 nm光子下产*OH自由基,促进CH4转化及C2H6生成。实验表明,加H2O显著提升CH4和CO2转化率,展示了无催化剂光子策略的应用潜力。


技术优势:

1、首创了基于高能光子的无催化剂绿色转化策略

本文首次报道了在环境条件下,利用高能光子(185 nm)直接引发CH4和CO2转化的无催化剂新策略。这一方法避免了传统催化剂的成本和失活问题,通过高能光子直接激活惰性分子,突破了传统重整过程的热力学限制。

2、揭示了多能光子和水协同增强机制

作者证实了185 nm光子作为引发剂,与200–1,100 nm范围内的辅助光子(包括紫外光、可见光和红外光)存在显著的协同增强效应。此外,适量H2O的加入通过生成活性自由基(如*OH和*H)显著促进了C2+烃类和H2的生成。


技术细节

高能光子引发的无催化剂转化性能

该研究采用了一种自制石英反应器,在环境条件下(25 °C,1 atm)进行光介导的CH4和CO2转化。在仅使用“Ultraviolet Light (185)”(主要发射185 nm和254 nm光子)照射CH4和CO2混合气时,实现了CO、H2和C2H6的同步生产,CO的生产速率为2.05 mmol m⁻³ h⁻¹。关键对照实验证实,在没有光照的情况下,没有检测到任何产物,强调了高能光子作为该转化反应引发剂的关键作用。进一步研究表明,波长为185 nm(约6.7 eV)的高能光子是引发反应所必需的,而254 nm光子(约4.9 eV)则不足以引发产物生成。通过同位素标记实验,研究人员证实了CO产物来源于CO2和CH4,而C2H6和C3H8来源于CH4


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图  高能光子驱动的CH4和CO2转化


多能光子协同增强效应的探究

为了提高效率,研究人员引入了第二光源,探讨了不同波长光子的协同作用。结果表明,相比于单独使用185 nm光子,加入200–1,100 nm的全光谱作为辅助光源能有效增强所有产物的产量。具体来说,红外光(800–1,100 nm)略微促进了产物生成,可见光(400–800 nm)带来了更明显的增强效果,而加入紫外光(200–400 nm)进一步提高了CO的生产速率。当采用200–1,100 nm全光谱作为辅助光源时,CO(3.1 mmol m⁻³ h⁻¹)和C2H6(2.53 mmol m⁻³ h⁻¹)的收率达到了最大值,这有力地证实了紫外光、可见光和红外光等多种光子之间存在协同效应,以促进CH4和CO2的转化。


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图  紫外、可见和红外光子协同促进高能光子介导的CH4和CO2转化


反应机理与中间体的光谱和理论验证

原位FT-IR光谱追踪了反应过程,观察到CO、C2H6的特征峰增强,并识别出甲酸酯类中间体(1,541 cm⁻¹)。电子顺磁共振(EPR)和液相色谱-质谱(LC-MS)分析进一步证实了反应过程中生成了*OH、*CH3、*H和*COOH等活性自由基物质。DFT计算表明,185 nm光子首先促使CH4分解为*CH3和*H2O。*H随后与CO2反应形成关键中间体COOH*。DFT计算进一步揭示了多能光子的作用:可见光(λ ≤ 880 nm)可克服1.41 eV的能垒,促进CO2转化;而紫外光(λ ≤ 440 nm)可克服更高的2.82 eV能垒,对CO2转化具有更显著的促进作用。


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图  紫外光(185)照射下反应体系的原位FT-IR光谱


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图  CH4和CO2转化反应途径的吉布斯自由能图


H2O的作用及外太空环境模拟

DFT计算表明,H2O在185 nm光子照射下会产生高活性的*OH自由基。*OH可以通过低反应能垒(0.21 eV)与CH4反应生成*CH3,从而促进C–C偶联生成C2H6(路径A)。此外,*CH3与*OH结合也可能生成醛类中间体(路径B),这些中间体随后光解生成CO。实验证实,适量H2O的加入能显著增强H2和C2+烃的形成。从应用角度,研究人员在模拟外太空无氧环境(氩气气氛)中进行了测试。在这种氧气隔离的环境中,CH4和CO2的总气体转化率达到了0.94%(24小时)。加入适量H2O后,转化率进一步大幅提升至1.51%,展示了该无催化剂光子策略在合成燃料领域的巨大应用潜力。


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图  CH4和CO2与H2O转化反应途径的吉布斯自由能图


展望


本研究报告了一种在环境条件下基于高能光子驱动的无催化剂CH4和CO2绿色转化新途径。185 nm高能光子是关键的引发剂,通过多能光子(200–1100 nm,包括紫外光、可见光和红外光)的协同作用以及适量H2O的辅助,反应效率得到显著提升。原位光谱和理论计算揭示了光子通过自由基机制激活惰性分子,并促进关键中间体(如COOH*)的转化。这种方法避免了传统催化剂和严苛条件的问题,在模拟外太空无氧环境中实现了1.51%的总气体转化率,为利用CH4和CO2生产燃料和化学品提供了简单且前景广阔的路径。


参考文献:

Zhai, J., Wang, RY., Chen, X. et al. Light-based catalyst-free conversion of CH4 and CO2. Nat. Photon. (2025). 

https://doi.org/10.1038/s41566-025-01800-3


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