浙江大学Nature子刊：Ag SAs改性ZnO，用于常压下气-固界面光热催化甲烷转化

使用经济的O₂作为氧化剂，光催化CH₄氧化成C₁氧化物(CH₃OOH、CH₃OH和HCHO等)已成为研究热点。目前CH₄的光催化选择性氧化主要采用批式气-液-固反应器，这需要加压操作来提高CH₄在水介质中的溶解度。更关键的是，这些系统在批式循环过程中会发生逐步的产物降解，从而降低选择性。

为了提高选择性，通常通过增加水量和水的连续流动来解决，这将导致后续净化和分离的问题。如果在常压下实现气固光催化选择性氧化CH₄，类似于CH₄的光催化氧化偶联，预计可以通过连续产物解吸来解决这些限制。

近日，浙江大学吴忠标和刘越等设计了一种Ag SAs改性的ZnO (Ag₁-ZnO)，用于在常压流式反应器中气-固光热催化CH₄选择性氧化成HCHO，克服了传统气-液-固光催化产物富集方面的应用瓶颈。

结果表明，Ag₁-ZnO催化剂的HCHO产生速率为117.8 ± 1.7 μmol h^-1，选择性为71.2 ± 0.8%。经过12小时水相吸附后，HCHO浓度达到514.2 ± 33.7 μmol mL^-1 (1.54 ± 0.10 wt.%)。此外，吸附捕获工艺还提供了另一种效益，即溶液中共生的CH₃OH (28.1 ± 1.1 μmol mL^-1)能够有效抑制HCHO的聚合反应。

基于一系列光谱表征和理论计算，研究人员提出了Ag₁-ZnO上气-固光热催化选择性氧化CH₄生成HCHO的反应机制。在热作用下，ZnO上的光生电子和空穴在照射下迅速分离形成Zn⁺O^–活性位点，O^–上的空穴转移到Ag SAs，然后在表面*OH种的作用下从CH₄中提取H原子形成*CH₂物种；随后，在热和Ag SAs的联合作用下促进晶格氧的活化，从而加速*HCHO的形成和解吸形成HCHO；最后，Zn⁺上的电子活化O₂形成O^2-，补充消耗的晶格氧。

综上，该项工作通过合理的催化剂设计、催化体系的优化以及对机理的理解，为CH₄可持续选择性氧化成工业化学品奠定了坚实的基础。

Photothermal direct methane conversion to formaldehyde at the gas-solid interface under ambient pressure. Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-57854-y