近年来，在热催化CH4直接转化过程中取得了显著进展，特别是CH4与C2+烃(C2H6、C2H4、C3H8等)的氧化偶联(OCM)由于其负反应自由能，这种转化不受低平衡转化的限制。然而，OCM中所需的高反应温度不可避免地导致巨大的能量消耗、严重的催化剂失活以及所需产物过氧化成CO和CO2，从而限制了它们的适用性。利用光能直接光催化CH4转化将在低温甚至室温下进行，因此可能解决热催化OCM中的难题。
根据最近的报道，太阳光驱动的光催化OCM (POCM)可以在温和的反应条件下以高达90%的选择性将CH4转化为C2H6。但是，由于太阳光的利用有限，以及缺乏有效的光催化剂来激活C-H键(CH4转化的关键步骤)，CH4的光催化转化仍然是一个巨大的挑战。
近日，天津大学叶金花、宋辉、宁夏大学王周君和南京工业大学黄亨明等报道了一种光化学触发和光热增强的CH4与多碳C2+烷烃的氧化偶联，其采用Au和CeO2纳米颗粒装饰的ZnO作为光催化剂(Au/x%CeO2/ZnO)，反应过程无需二次加热源。
实验结果表明，最佳的Au/1%CeO2/ZnO催化剂在广谱照射下的C2+产品生产速率高达17260 μmol g-1 h-1，选择性为90%，周转数(TON)为523，优于大多数文献报道的POCM催化剂。此外，在连续反应50小时后，该催化剂的活性仍保持初始值的94%，且C2+产物选择性一直大于90%，显示出优异的稳定性。
一系列原位表征表明，Au和CeO2可以捕获来自ZnO的光生电子，从而加速O2的活化；同时，Au和CeO2的协同作用通过降低第一个C-H键解离能垒，显著促进了CH4的活化，从而促进了速率控制步骤。此外，Au NPs在可见光和近红外光照射下产生的热可以促进产生的•CH3自由基在发生过氧化之前轻松解吸形成C2H6。因此，光化学和光热效应的协同作用导致了C2+产率和选择性的显著提高。
总的来说，该项研究不仅为直接CH4氧化为C2+烃类提供了一个高度选择性和高效的光催化系统，还为高效利用全太阳光谱驱动具有更高活性和选择性的催化反应铺平了道路。
Integrating photochemical and photothermal effects for selective oxidative coupling of methane into C2+ hydrocarbons with multiple active sites. Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-58101-0