研究人员开发出新型富含金纳米簇的二氧化钛光催化剂可用于甲烷的氧化偶联，地球上碳氢化合物甲烷含量非常丰富，但目前已知其释放会导致气温骤升和气候变化。近年来，研究人员一直在尝试设计可靠的方法，将甲烷直接转化为具有有价值的实际应用的其他燃料和化学品。

Au60s/TiO2 的结构表征和分析。a–c，Au60s/TiO2 膜的俯视 SEM 图像 (a) 和 EDX 图像（b 为 Ti 元素，c 为 Au 元素）。d–i，Au60s/TiO2 膜的侧视 SEM 图像 (d) 和 EDX 图像（e 为 Ti 元素，f 为 Au 元素）。Au60s/TiO2 的 STEM-HAADF 图像。图片来源：Li 等人。（自然能源，2023）。

　　这些策略包括基于催化剂的方法，以促进甲烷与含有绿色气体双原子碳(C2)的物质的氧化偶联。然而，由于迄今为止引入的热催化剂的不利特性， 该反应通常需要极端且具有挑战性的环境条件。

　　伦敦大学学院和利物浦大学的研究人员最近开发了一种新型光催化剂，可以促进甲烷的氧化偶联。Nature Energy中介绍的这种光催化剂基于负载金 (Au) 纳米团簇的二氧化钛(TiO2 )。

　　Xiyi Li、Chao Li 及其同事在论文中写道：“甲烷光催化氧化偶联(OCM)产生的 C2分子可用作合成燃料和化学品的基础材料。”“然而，由于甲烷分子的稳定性， C2产品的产率和选择性仍然中等。”

　　使用快速溅射方法，研究人员能够将 Au 纳米团簇均匀地负载到 TiO2上，从而生产出有前途的新型光催化剂。在最初的测试中，他们的光催化剂的优化样品似乎表现得非常好，能够以很高的速率将甲烷转化为C2，并且不需要特别苛刻的反应条件。

　　“我们通过溅射方法开发了一种负载金纳米簇的 TiO2光催化剂，实现了 1.1 mmol h-1的高甲烷转化率、~90% 的 C2选择性和 10.3 ± 0.6% 的表观量子效率，”Xiyi Li， Chao Li 和他们的同事在研究中进行了解释。

　　“高 C2/C2+产率与高温 (>680 °C) 下运行的 OCM 工艺中的基准热催化剂处于同一数量级。Au 纳米颗粒可将 TiO 2 光电子寿命延长一倍66用于O2还原，与作为空穴受体和催化中心的Au一起促进甲烷吸附、C-H活化和C-C耦合，”他们继续说道。

　　总的来说，这项研究证明了使用基于具有不同功能和特性的各种组分的催化剂来实现甲烷氧化偶联的优势。他们提出的光催化剂 Au60s/TiO2被发现在稳定性、甲烷转化率和 C2产率方面优于许多先前报道的可以引发该反应的催化剂。

　　值得注意的是，该团队的光催化剂也很容易制造，这可以促进其大规模生产和部署。更多研究很快将有助于验证新型 Au60s/TiO 2光催化剂的性能并评估其在现实环境中的适用性。

　　未来，这项研究还可以为制造其他有前景的多材料光催化剂铺平道路，以实现可靠和直接的甲烷转化。总的来说，这些努力可以帮助地球上丰富的甲烷储量得到有价值的利用。