摘要：2024年10月21日，阿卜杜拉国王科技大学张华彬教授在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Optimizing the reaction pathway of methane photo-oxidation over single

甲烷（CH4）与氧气（O2）直接光催化转化为增值C1含氧化合物引起了人们极大的兴趣，但这在实现高选择性产物形成方面提出了重大挑战。

2024年10月21日，阿卜杜拉国王科技大学张华彬教授在国际顶级期刊Nature Communications发表题为《Optimizing the reaction pathway of methane photo-oxidation over single copper sites》的研究论文，冯程洋为论文第一作者，张华彬教授为论文通讯作者。

张华彬，阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）独立PI，教授。2013年于中国科学院福建物质结构研究所获得博士学位，同年于中国科学院福建物质结构研究所担任助理研究员。2014年至2017年于日本国立物质材料研究所进行博士后研究，并于2017年任新加坡南洋理工大学研究员，2020年加入阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）。

张华彬教授主要研究单原子催化剂应用于光电催化反应，包括水裂解和二氧化碳还原反应。以第一作者和通讯作者在Nat. Syn.、Sci. Adv.、Joule、Energy Environ.Sci.、J. Am. Chem. Soc.、Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Mater.等期刊上发表了论文150余篇。论文被引用次数17000余次，个人H-index为65，连续四年（2020-2023）被Web of Science评为全球高被引学者。

在这项研究中，研究人员基于金属有机框架，开发了构建具有明确配位微环境的铜单原子催化剂（UION-Cu(OH)）的一般策略，用于CH4选择性光氧化制HCHO。

研究人员认为，O2在单铜位点的定向活化打破了原始平衡，使自由基形成的平衡几乎完全向•OOH倾斜。

同步生成的•OOH和•CH3自由基快速结合形成HCHO，同时抑制竞争反应，从而实现超高选择性HCHO生成（接近100%）。时间产率为2.75 mmol gcat-1 h-1。

这项工作凸显了合理设计反应位点以操纵反应路径和实现选择性CH4光氧化的潜力，并可以指导高性能单原子催化剂的进一步设计以满足未来的需求。

图1：UION-Cu(OH)的合成与表征

图2：单铜位点的精细结构

图3：光催化CH4转化性能

图4：电荷动态检测

图5：光氧化CH4到HCHO的活性位点和反应机理研究

综上，这项研究成功开发了一种基于金属有机框架的铜单原子催化剂，通过精确调控单铜位点的配位微环境，实现了氧气的有效活化和自由基选择性生成，从而获得了接近100%的超高选择性HCHO生成和2.75 mmol gcat−1h−1的产率。

该研究不仅为甲烷的选择性氧化提供了一种高效、高选择性的催化策略，而且展示了金属有机框架在设计高性能单原子催化剂方面的潜力。这一成果对于促进甲烷作为重要化工原料的转化利用、提升天然气的附加值具有重要意义，具有广阔的工业应用前景。

Feng, C., Zuo, S., Hu, M. et al. Optimizing the reaction pathway of methane photo-oxidation over single copper sites. Nat. Commun. 15, 9088 (2024).https://doi.org/10.1038/s41467-024-53483-z.

来源：华算科技