极性表面暴露与铜掺杂协同增强ZnO纳米片内建电场实现高效光催化甲烷氧化制含氧有机物

《Advanced Functional Materials》：Intensifying Internal Electric Field on ZnO Nanoplates with Polar Surface Exposure and Cu Doping for Efficient Photocatalytic Methane Oxidation to Oxygenates

本研究针对半导体光催化甲烷有氧转化存在的CH4分子惰性强和光生载流子复合快等难题，通过构建Cu掺杂ZnO极性表面纳米片，显著增强内建电场促进电荷分离，实现了4742.2 μmol g?1 h?1的液态C1含氧物产率（选择性99.6%），为温和条件下甲烷高效转化提供了新的催化剂设计策略。

　　

半导体光催化技术为在温和条件下实现甲烷（CH₄）有氧转化制备高附加值含氧有机物提供了潜在途径，但面临CH₄分子高惰性和光生载流子快速复合导致的低反应效率难题。本研究采用具有极性表面暴露的铜（Cu）掺杂氧化锌（ZnO）纳米片作为高效光催化剂，在氧气（O₂）存在下进行CH₄氧化反应，其液态C1含氧物产率高达4742.2微摩尔每克每小时（μmol g^?1 h^?1），选择性达到99.6%，性能显著优于非极性表面暴露或未掺杂Cu的对比样品。深入研究表明，活性提升主要归因于增强的内建电场有效促进了电荷分离，从而为表面氧化还原反应提供了充足电子。同时，ZnO的Cu掺杂极性表面更有利于形成活性/吸附位点，促进CH₄转化。此外，研究提出羟基自由基（·OH）的生成遵循O₂→·OOH（过氧羟基自由基）→H₂O₂（过氧化氢）→·OH的路径，其中掺杂的Cu对O₂还原和H₂O₂解离生成·OH起关键作用，进而实现高效CH₄活化。该工作为设计高效光催化剂以促进温和条件下CH₄氧化提供了新策略。作者声明无利益冲突。