第一作者：杨健龙，熊伦乔
通讯作者：Junwang Tang（唐军旺）
通讯单位：清华大学
论文DOI：
10.1002/aenm.202404202（
文末附课题组招聘
）
清华大学唐军旺院士在连续相反应器中利用化学循环策略，高效接近100%地将甲烷转化为乙烷。
甲烷是页岩气和甲烷水合物的主要成分，储量丰富。通过低碳过程将甲烷转化为高价值的多碳化学品(C
2+
)和燃料，是实现化石原料经济最大化和减少温室气体排放的有前途途径。光催化氧化技术可以在很大程度上缓解传统热催化甲烷转化反应条件苛刻、能耗高的劣势。然而，甲烷分子的高度对称性和稳定性，导致甲烷转化反应的活性较低。清华大学工业催化中心唐军旺院士团队通过光催化以及光热耦合的高效甲烷转化方式，已经进行了一系列深入的研究。在2023年，团队使用Au/TiO
2
光热耦合催化剂，通过氧化偶联的方式实现了甲烷向乙烷的高效转化，乙烷产率达到468 μmol h
-1
(Nat Energy 8, 1013–1022 (2023))。随后团队通过光子-声子驱动的联动催化，在单原子Ru负载的ZnO催化剂和150 ℃下实现了甲烷在温和条件下高效转化为甲醛，甲醛的产率达到了401.5 μmol h
−1
，选择性超过90% (Nat
Sustain 7, 1171–1181 (2024))。
近期，唐军旺院士团队设计了Co单原子与PdO共修饰的TiO
2
催化剂，在流动相反应系统中，利用化学循环策略，将甲烷转化过程同催化剂再生过程分离，避免了甲烷与氧气的直接混合，大幅提高了该工艺的安全性。在无氧和室温的条件下高效的将甲烷转化为乙烷，乙烷产率达到74 μmol g
-1
h
-1
，选择性接近100%。
(1) 优异的甲烷转化活性。利用Co
0.2
Pd
1.8
TiO
2
催化剂，实现了接近100%选择性的甲烷转化生成乙烷，乙烷产率达到74 μmol g
-1
h
-1
，且在43个反应循环中具有优异的稳定性。
(2) 精心构筑了PdO
L
以及Co单原子催化剂。PdO
L
的晶格氧直接参与反应，能够精确控制CH
4
的部分氧化程度，避免过度氧化。同时，负载的Co单原子作为电子受体大大加速了CH
4
氧化过程中光催化剂表面的还原过程。
(3) 化学循环过程与连续光催化流动反应系统的有效集成。利用化学循环过程将甲烷转化分解为两个连续的过程：甲烷转化反应（类似于甲烷的非氧化偶联）和催化剂再生反应。甲烷转化反应在贫氧条件下进行，不仅避免了有价值产物的过度氧化，而且降低了将易燃气体甲烷与氧气气体混合的潜在安全风险。催化剂再生过程提高了该流动反应系统中甲烷转化反应的稳定性，在43个循环测试中表现出优异的稳定性。
图1：流动相中甲烷转化生产乙烷性能
通过优化催化剂和反应条件等在
Co
0.2
Pd
1.8
TiO
2
催化剂上实现了流动反应体系中的化学循环反应，该反应能够以空前的选择性将甲烷转化为乙烷，在室温下乙烷的产率为
74
μ
mol g
-1
h
-1
，选择性为
100%
。同时，该催化剂具有很高的稳定性，在
43
个循环测试中表现出优异的稳定性。
图3：催化剂电荷传输表征
结果表明，
PdO
L
作为空穴传输通道，
Co
单原子作为电子转移通道，有效促进了
TiO
2
上光生载流子的分离与转移。
图4：化学循环过程中的产物研究以及PdOL在循环过程中的变化。
研究结果表明，在甲烷转化过程中，甲烷转化生产乙烷；
PdO
L
上的晶格氧参与反应生成水被消耗，并在催化剂再生过程中得到补充。
图5：甲烷转化生产乙烷过程的模拟计算
PdO
L
作为空穴转移载体，有效地促进了甲烷的吸附并促进了
C-H
键的断裂，提高了甲烷转化活性。
机理图1：化学循环实现甲烷转化机理图
PdO
L
作为
光生空穴
的转移载体，直接参与甲烷
转化反应。
PdO
L
中的
O
L
被
CH
4
氧化，生成
·CH
3
和
·OH
。
·CH
3
在气相中自发偶联生产
C
2
H
6
。光生电子被
Co
单原子吸引，用于还原
·OH
和
H
+
生成
H
2
O
。在催化剂再生的后续步骤中，
PdO
L
中消耗的
O
L
在光照射下由空气补充。
本研究将化学循环过程与流动反应器耦合，利用Co
0.2
Pd
1.8
-TiO
2
作为催化剂，在温和和无氧的条件下实现了连续、高效和高选择性的CH
4
转化。在室温下，Co
0.2
Pd
1.8
-TiO
2
催化剂实现了接近100%选择性的CH
4
转化为C
2
H
6
，C
2
H
6
产率为74 µmol·g
−1
·h
−1
。研究表明，PdO
L
纳米团簇和Co单原子负载在TiO
2
上协同促进了光生载流子的分离转移，并直接参与反应，提高了反应的选择性。其中，
PdO
L
作为光生空穴的转移载体，并直接参与甲烷C-H键断键反应。同时，PdO
L
中的O
L
被CH
4
氧化，生成·CH
3
和·OH。·CH
3
的在气相中自发偶联生产C
2
H
6
。光生电子被Co单原子吸引，用于还原·OH和H
+
生成H
2
O。在催化剂再生的后续步骤中，PdO
L
中消耗的O
L
在光照射下由空气补充，从而在43次循环测试中表现出很高的稳定性。综上，该研究提出了一种利用化学循环调节反应中间体和产物的新策略，实现了CH
4
高效、高选择性地转化为增值产物，为构建具有多功能位点的先进催化剂开辟了一条新的途径，以克服光催化中的电荷重组问题。此外，该工艺避免了将可燃气体CH
4
与O
2
混合用于化学品生产，提高了这一重要化学反应的工艺安全性。
文献信息：10.1002/aenm.202404202
唐军旺院士课题组博士后和访问学者招聘启事
唐军旺院士任清华大学化工系工业催化中心主任，清华大学碳中和讲席教授。唐军旺教授是欧洲科学院院士（Academia Europaea）, 英国科学院-利弗休姆资深研究员（Royal Society-Leverhulme Trust
Senior Research Fellow），比利时欧洲科学院院士（Fellow of European
Academy of Sciences），英国皇家化学会会士（Fellow of RSC)，英国材料、矿物和采矿协会会士（Fellow of IMMM）和中国化学会荣誉会士。曾任伦敦大学学院 （UCL，QS世界大学排名过去15年以来一直位列世界前10名）大学材料中心主任多年。其在低碳能源催化材料的开发，光和热协同催化活化小分子（包括水分解制氢，合成氨，二氧化碳转化，甲烷转化等），以及微波催化方面(塑料的催化循环利用)具有很深厚的理论基础和研究经验。已在国际杂志
Nature Catalysis, Nature Energy, Nature Materials, Nature
Sustainability, Nature Reviews Materials, Chemical Reviews, Chem. Soc. Rev
.等能源和化学领域期刊共发表了>260篇文章。同时是5个国际杂志的主编/编辑或者副主编，包括Applied
Catalysis B: Environment and Energy（影响因子24）, Journal of Advanced Chemical Engineering, Chinese Journal of
Catalysis (催化学报)，Asia-pacific
Journal of Chemical Engineering和Carbon Future。
学术带头人：
唐军旺院士，清华大学化学工程系工业催化中心
研究方向 1：
低温低压热催化合成氨和氨分解
研究方向 2：
微波催化塑料解聚
研究方向 3：
光热催化合成绿氨
研究方向 4：
光热催化天然气转化
以上研究已获得国家基金委重点项目，中石化等央企的重点项目资金支持，现为这些项目招聘优秀博士后
。
招收条件：
(1) 博士后原则上年龄不超过32周岁；访问学者不超过40周岁
(2) 已获得多相催化，或者光/热催化等研究方向的博士学位；
(3) 具有丰富的材料制备，表征和催化活性评价经验
(4) 在本专业领域主流国际期刊以第一作者发表过至少3篇高水平研究论文，能够独立开展科研工作；
(5) 具有扎实的专业知识与丰富的实践经验；
(6) 具有强的英文写作与国际会议交流的能力；
应聘材料：
(1) 个人简历：包括学历、科研方向及成果（附带有代表性的3篇已发表论文）、推荐人联系方式及个人联系方式等内容；
(2) 一页简述期望的博士后/访问期间的工作方向及计划。
请整合以上申请材料合并成一个PDF文件，以“博士后/访问学者申请-姓名”为邮件标题发送至邮箱
王晴漪
[email protected]
背景优秀者推荐申报清华水木学者
（
https://postdoctor.tsinghua.edu.cn/info/zxtz/2097
）
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