第一作者：Jijia Xie

通讯作者：Ding Ma, Junwang Tang

通讯单位：伦敦大学学院、北京大学

研究亮点：

1.发展了一种FeO_x/TiO₂光催化剂的制备策略

2.实现了>90%的甲醇选择性以及高活性和高稳定性。

3.系统研究了优异催化性能的机理。

为什么要做甲烷制甲醇？

甲烷高效制甲醇，是实现甲烷高效利用的重要途径之一。由于C-H键具有高稳定性，甲烷活化往往伴随着高温高压，并释放大量CO₂。如何能实现在常规条件下进行甲烷高效转化，高选择性制甲醇，是催化领域的关键议题。

成果简介

有鉴于此，英国伦敦大学学院唐军旺课题组和北京大学马丁课题组等团队合作，发展了一种在温和条件下高选择性光催化甲烷制甲醇的FeO_x/TiO₂光催化剂。

图1. 不同条件下光催化甲烷转化率

优异的光催化性能

在常温常压以及接近1 sun的光照条件下，0.33 _metalwt.% FeO_x/TiO₂光催化剂在少量H₂O₂存在时，实现了以下性能：

1. >15%的甲烷转化率，>97%的醇选择性，甲醇选择性>90%，4倍于单纯的TiO₂光催化剂。

2. 在3h内，每摩尔铁产生18 摩尔甲醇，或者说每克催化剂生产1056 umol甲醇。

3. 优异的循环稳定性。

图2. 光催化剂的稳定性以及甲烷转换过程中的碳源归属

催化性能溯源

各种电镜、光谱等系列表征表明：

1.催化剂由锚定与TiO₂载体上的高分散的铁氧化物组成，包括原子级分散物种。其中，活性来源与FeOOH和Fe₂O₃两种活性位点。

2.TiO₂到FeO_x物种的高效电子传递是高活性的根本来源。

3.Fe₂O₃降低了H₂O₂在铁物种上还原的能垒，过电位更低，抑制ORR反应，避免了生成CO₂。

图3. FeO_x/TiO₂催化剂的表征

图4. TiO₂基光催化剂的各种物理化学表征

高度可重复的浸渍法制备催化剂

1.金属氯化物（FeCl_­3）水溶液和商业TiO₂混合，搅拌、浸渍。

2.水蒸发之后，空气马弗炉中400℃煅烧4h。

3.室温冷却后水洗3次。

小结

总之，这项研究为甲烷在常规条件下高选择性制甲醇指引了新方向，为提高光催化剂的活性和稳定性提供了新思路。

参考文献：

JijiaXie, Renxi Jin, Ding Ma, Junwang Tang et al. Highly selective oxidation ofmethane to methanol at ambient conditions by titanium dioxide-supported ironspecies. Nature Catalysis 2018.

https://www.nature.com/articles/s41929-018-0170-x