中国地质大学(武汉)/中国科学技术大学,新发Nature Catalysis!

甲烷作为一种主要的温室气体和重要的化石燃料，其高效转化对于应对气候变化和实现可持续能源利用具有重要意义。然而，甲烷分子的化学惰性以及传统转化方法的高能耗限制了其广泛应用。近年来，光催化技术作为一种利用太阳能驱动甲烷转化的绿色替代方案受到广泛关注。然而，现有光催化剂在效率和选择性方面仍面临挑战，尤其是在抑制过度氧化和提高产物选择性方面。因此，开发一种能够高效利用全太阳光谱、精准调控自由基反应并显著提高甲烷转化选择性的新型光催化剂，成为当前研究的热点和难点。

通过构建基于金属有机框架（MOF）衍生的Co₃O₄与钯（Pd）的肖特基异质结，中国地质大学（武汉）余家国教授、瓦伦西亚理工大学Hermenegildo García院士、中国科学技术大学郑旭升教授等人开发了一种全太阳光谱响应的光催化剂，用于高效选择性地将甲烷转化为乙烷。Co₃O₄的窄带隙和黑色特性使其能够吸收全太阳光谱，而其独特的能带结构则有效抑制了过氧化物等活性氧物种的生成，从而避免了过度氧化。通过在Co₃O₄表面沉积钯纳米颗粒，研究者利用界面电场促进了光生载流子的分离和迁移，显著提高了光催化效率。实验结果表明，该催化剂在温和条件下实现了每克催化剂每小时16.1毫摩尔的乙烷产率，选择性高达96.2%。这一成果不仅为甲烷的高效转化提供了一种新的策略，也为设计高性能光催化剂提供了重要的理论和实验依据。

本研究通过构建Pd/Co₃O₄肖特基异质结光催化剂，实现了甲烷在全太阳光谱下的高效选择性转化。研究发现，Co₃O₄的窄带隙和全光谱吸收特性使其能够充分利用太阳能，而其独特的能带结构有效抑制了过氧化物等活性氧物种的生成，从而避免了过度氧化，显著提高了产物选择性。通过在Co₃O₄表面沉积钯纳米颗粒，形成了肖特基异质结，促进了光生载流子的分离和迁移，进一步提升了光催化效率。实验结果显示，在温和条件下，该催化剂实现了每克催化剂每小时16.1毫摩尔的乙烷产率，选择性高达96.2%。这一成果不仅突破了传统光催化剂在效率和选择性方面的限制，还为甲烷的可持续转化提供了一种高效、绿色的解决方案，具有重要的学术意义和潜在的工业应用价值。未来研究可进一步探索不同金属与Co₃O₄的组合，优化异质结结构，以拓展其在其他光催化反应中的应用潜力。

Co₃O₄ as full-solar-spectrum photocatalyst for selective methane conversion through reactive oxygen species control，Nature Catalysis，2026.