甲烷的活化和利用是现代科学研究面临的主要挑战之一。甲烷是一种制造增值燃料和化学品的重要原料。然而，目前大多数工艺都需要过高的反应温度，并且表现出不足的选择性。

有鉴于此，法国里尔大学Vitaly V. Ordomsky，Andrei Y . Khodakov报道了使用银-杂多酸-二氧化钛纳米复合材料，在室温下甲烷转化为乙烷的光化学循环策略，该化合物具有高选择性（超过90％），显著的C₂H₆产率（超过9％），高量子效率（QE 在362 nm处为3.5％）和出色的稳定性。

文章要点

1）研究人员在间歇式光反应器中研究了TiO₂、磷钨酸(HPW)和含不同金属的HPW/TiO₂复合材料上甲烷的光化学转化。由于反应器内的气相只含甲烷，不含氧气或其他气体，因此，甲烷氧化成CO₂的氧气来源是由光反应器中存在的固体(TiO₂、HPW等)。研究发现，含HPW/TiO₂复合材料的甲烷转化可制得C₂H₆和CO₂。同时，Pt和Ag基HPW/TiO₂纳米复合材料具有较高的产率和乙烷选择性。此外，与Pt和Au基催化剂相比，Ag-HPW/TiO₂具有更高的乙烷选择性和甲烷转化率。在Ag-HPW/TiO₂纳米复合材料上，甲烷偶联合成乙烷和丙烷的总选择性大于90%。

2）研究人员通过TEM、STEM-HAADF、STEM-EDX表征了Ag-HPW/TiO₂样品。结果表明，样品具有平均尺寸为30-40 nm的不规则形貌的TiO₂微晶。STEM-EDX图表明，在TiO₂晶体上形成了一层薄薄的HPW(1-2 nm)。同时，极小的银纳米颗粒(可能以氧化银的形式存在)平均直径为1.9 nm，均匀分散在HPW/TiO₂表面。

3）研究表明，乙烷合成涉及化学计量甲烷与高度分散的银阳离子物种的反应。在反应过程中，光敏的阳离子银物种被还原为银金属。同时，分散在覆盖TiO₂的HPW层中的银离子是甲烷偶联为乙烷所必需的。此外，该纳米复合材料可以通过在室温下暴露于空气中，并通过辐照进行可逆再生。

该研究提出了一种可行的光化学循环策略，用于甲烷在常温照射下选择性准定量合成乙烷和高级烃。

Yu, X., Zholobenko, V.L., Moldovan, S. et al. Stoichiometric methane conversion to ethane using photochemical looping at ambient temperature. Nat. Energy (2020)

DOI：10.1038/s41560-020-0616-7

https://doi.org/10.1038/s41560-020-0616-7