中国科学技术大学精准智能化学全国重点实验室/化学与材料科学学院黄伟新教授课题组与英国伦敦大学学院/清华大学Junwang Tang（唐军旺）教授课题组、英国卡迪夫大学/伦敦大学学院C. Richard A. Catlow教授课题组和英国伦敦大学学院/香港大学Zheng Xiao Guo教授课题组合作提出分子内结新概念，发明了CTF-1聚合物光催化剂，在常温、常压下，一步高效、且高选择性地将甲烷转化为C2液体产物-乙醇。研究成果于3月13日以“Methane oxidation to ethanol by a molecular junction photocatalyst”为题发表在Nature 2025, 639, 368-374。
以甲烷为主要成分的天然气、页岩气和可燃冰储量丰富，远超过其它化石燃料的总和。甲烷合成高值化学品是一条非常有吸引力的策略。然而，甲烷分子的高度对称性和稳定性使得甲烷转化反应的活性较低，并且甲烷转化生成的高值化学品反应活性高于甲烷。因此，甲烷高活性和高选择性合成高值化学品，尤其到C2+含氧化合物，极具挑战性。光催化利用光子产生高活性光生电子和空穴，能够在温和条件下驱动氧化还原反应，在甲烷合成高值化学品中展现出巨大的潜力。英国伦敦大学学院/清华大学唐军旺教授课题组基于异相结调控光催化剂光生电子和空穴动力学实现高效甲烷光催化选择转化反应的系统研究结果和对激子和极化子物理学的理解，合成了由苯环和三嗪单元交替排列，形成苯环-三嗪单元分子内结的CTF-1聚合物光催化剂，发现了CTF-1聚合物高效光催化甲烷+O2+H2O流动相反应定向生成乙醇的全新光催化甲烷制C2+含氧化合物反应体系，开展的同位素标记实验结果表明产物乙醇中的氧源自氧气，甲醇中的氧源自水，CO2中的氧源自氧气或者氧气/水，基于此提出了催化反应路径（图1）。
中国科学技术大学黄伟新教授合作开展了系统的CTF-1聚合物，及对照催化剂g-C3N4和TiO2，光催化甲烷+O2+H2O反应表界面化学研究。利用自行发展的光照原位X-射线近边吸收谱数据分析方法（ACS Catal.12(2022) 6457）观察到CTF-1聚合物光照产生的光生电子和空穴分别聚集在苯环和三嗪单元，对比研究反应物分子甲烷和水在CTF-1聚合物、g-C3N4和TiO2的吸附提供了CTF-1聚合物对甲烷和水独特的吸附活化行为，利用自行建立的吸附微量热技术（Rev. Sci. Instrum. 89 (2018) 064101）和脉冲化学吸附技术提供了CTF-1聚合物强吸附甲醇附产物分子和弱吸附乙醇目标产物分子的实验证据，以及利用高灵敏度同步辐射单光子电离质谱仅在甲烷+O2+H2O光催化反应体系在线检测到光催化中间产物乙烷（图2）。这些结果与英国伦敦大学学院/香港大学Zheng Xiao Guo教授课题组的其它实验表征结果、英国卡迪夫大学/伦敦大学学院C. Richard A. Catlow教授课题组的理论模拟结果相互印证，揭示了CTF-1聚合物苯环-三嗪单元分子内结实现光生电子电子和空穴的空间分离，以及由此引发的甲烷氧化和氧气还原位点的空间分离，反应中间体甲基自由基和乙烷与具有强氧化性的羟基自由基的空间分离的新机制，理解了CTF-1聚合物高效光催化甲烷+O2+H2O反应定向生成乙醇的反应机理和构-效关系。该研究也在国际上首次提出了分子内结（intramolecular junction）调控光生电子和空穴动力学的新概念，为分子基高效光催化剂创制提供了新思路。
英国伦敦大学学院Jijia Xie为文章第一作者，中国科学技术大学毕业博士生傅聪为文章第二作者（文章无共同第一作者），英国伦敦大学学院/清华大学唐军旺教授、英国卡迪夫大学/伦敦大学学院C. Richard A. Catlow教授、中国科学技术大学黄伟新教授和英国伦敦大学学院/香港大学Zheng Xiao Guo教授为文章共同通讯作者。黄伟新教授课题组研究得到了科技部、中国科学院、国家自然科学基金委员会、教育部和中国科学技术大学的支持。同时，中国科学技术大学黄伟新教授与英国伦敦大学学院唐军旺教授的合作契机始于中国科学技术大学国际访问教授计划。
文章链接：https://doi.org/10.1038/s41586-025-08630-x
（精准智能化学全国重点实验室、化学与材料科学学院、科研部)
