1. 文章信息

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

中文标题：水触发的Au/GaN纳米结构光催化甲烷氧化偶联制备乙烷

页码：103033

DOI：10.1016/j.chempr.2026.103033

2. 文章链接

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

3. 期刊信息

期刊名： Chem 

ISSN： 2451-9294 

2025年影响因子： 19.4 

分区信息： SCI化学一区 

涉及研究方向： 光催化、甲烷氧化偶联 

4. 作者信息：第一作者是 李亦昕 。通讯作者为 周宝文教授 。

5.产品型号：CEL-HXF300-S;

研究背景及出发点

随着石油资源的日益枯竭，丰富且廉价的天然气(甲烷)已成为生产高附加值化学品的理想替代原料。将甲烷直接转化为乙烷具有重要的工业价值，但甲烷分子中C-H键的高度惰性和对称结构使得这一转化极具挑战性。传统工业路线需要高温(>700°C)和高压(>3 MPa)条件，能耗高、成本昂贵。

光催化技术为甲烷转化提供了绿色可持续的解决方案。目前，光催化甲烷氧化偶联(OCM)主要使用O2或H2O2作为氧化剂，但O2易导致甲烷过度氧化生成CO2，选择性低；H2O2虽能提高选择性，但成本较高，经济性欠佳。因此，开发一种经济、环保且高效的氧化剂用于光催化甲烷制乙烷具有重要意义。

成果概述

上海交通大学周宝文教授团队在国际顶级期刊Chem上发表了题为"Water-triggered photocatalytic oxidative coupling of methane toward C2H6 over Au/GaN nanoarchitecture"的研究论文。该工作实现了以水作为绿色氧化剂，在太阳光驱动下高效、高选择性地将甲烷转化为乙烷。

研究团队设计了金纳米颗粒修饰的氮化镓纳米线(Au/GaN NWs)光催化剂。在6.3 W·cm-2的集中光照射下，该催化剂实现了112.6 mmol·g-1·h-1的乙烷生成速率，乙烷选择性高达94.9%，甲烷转化率为1.75%。更重要的是，催化剂在256小时的连续运行中保持稳定，转化数(TON)达到40，824 mol C2H6/mol Au，远超现有报道大部分光催化体系。

图文解析

催化剂的精准构筑

研究团队采用等离子体辅助分子束外延(MBE)技术在4英寸硅片上生长出垂直排列的GaN纳米线阵列，随后通过光沉积法将金纳米颗粒(平均直径6.7 nm)均匀负载在纳米线表面。这种一维纳米结构有利于光吸收、载流子分离和表面化学反应的解耦。

高分辨透射电镜和元素分布表征证实了Au/GaN界面的成功构建。差分电荷密度分析显示，GaN向Au转移了约0.2094个电子，形成了强电子相互作用，有利于光生载流子的快速转移。时间分辨荧光光谱显示，Au修饰后GaN的平均载流子寿命从3.15 ns降至1.89 ns，证明了高效的电荷转移过程。

图1 Si晶圆上生长Au纳米颗粒修饰的GaN纳米线结构表征

水的关键作用

对比实验表明，在相同条件下，引入水后乙烷的生成速率显著提高，选择性从非氧化偶联的较低水平提升至94.9%。而使用O2或H2O2作为氧化剂时，虽然总产物生成速率更高，但乙烷选择性仅约10%，主要产物为CO和CO2。

动力学研究揭示，水的引入使甲烷转化为乙烷的表观活化能从5.12 eV大幅降低至1.29 eV。在不同光强下，水参与反应的乙烷生成活性约为纯热催化的22倍，证明了光生载流子和水在反应中的主导作用。

图2 水介导光驱动CH4氧化偶联反应催化性能

反应机理解析

通过原位电子顺磁共振(EPR)、原位漫反射红外傅里叶变换光谱(DRIFTS)、光照X射线光电子能谱(XPS)以及同位素标记实验，研究团队揭示了水触发甲烷偶联的完整机理：光照下，GaN价带电子被激发至导带，光生空穴被Au纳米颗粒捕获，空穴氧化水分子生成高活性的·OH自由基，·OH通过氢交换机制活化甲烷的C-H键，生成·CH3自由基，随后自偶联生成乙烷。

密度泛函理论(DFT)计算进一步证实，Au/GaN界面独特的表面性质促进了水的活化。·OH倾向于吸附在Ga位点(吸附能-2.99 eV)，而·CH3优先吸附在Au位点(吸附能-2.46 eV)。这种强相互作用稳定了中间体，抑制了过度氧化和积碳，从而提高了反应的选择性和稳定性。

图3 水介导光驱动CH4氧化偶联原位光谱表征和同位素相关实验

图4 DFT反应机理验证

实际应用验证

为了验证该技术在真实世界的可行性，研究团队搭建了一套配备菲涅尔透镜的户外聚光反应装置。在自然日光的直接驱动下，随着一天中光照强度的变化，C2H6的产率表现出相应的动态响应，最高产率突破20 mmol·gcat-1·h-1。在16小时的户外连续运行中，系统稳定输出了211 mol C2H6/mol Au。

图5 在室外实验及性能示意图

总结与展望

本研究实现了以水作为绿色氧化剂的光催化甲烷制乙烷，突破了传统氧化剂的局限性。通过精心设计的Au/GaN纳米结构，实现了高活性、高选择性和高稳定性的统一。水衍生的·OH自由基通过氢交换机制显著降低了反应能垒，同时抑制了积碳和过度氧化。

这项工作为利用太阳能、水和甲烷生产高附加值化学品提供了一条低碳、可持续的新路径,在"双碳"目标背景下具有重要的科学意义和应用前景。未来,进一步优化催化剂结构、提高光利用效率,有望推动该技术走向实际应用。