利用大自然的馈赠：人工叶片技术将甲烷转化为C-C键连接的乙醇或乙烯

《Sustainable Energy & Fuels》：Utilizing nature's endowment: artificial leaf concept for methane activation to C–C coupled ethanol or ethylene

甲烷活化（MA）通过CeVO4量子点负载TiO2光催化剂在可见光驱动下实现，产物选择性达100%，乙醇/乙烯产率分别为4.36和39.5 μmol h?1 cm?2，太阳能转化效率0.56-5.08%。量子点组装形成万亿级异质结并调控能带结构，促进电荷分离与转移，甲醇介入增强C-C偶联。

　　

在常温条件下将甲烷活化（MA）转化为平台化学品仍然是一个尚未完全实现的挑战。本研究采用自下而上的方法制备了CeVO₄量子点（CV-QDs），这些量子点由Ce³⁺离子和偏钒酸盐离子组装而成，并在结构上和电子上与TiO₂的微/介孔结合（形成CV-QD-TiO₂，简称CVT），证明了通过可见光驱动的光催化作用可以将MA转化为乙醇或乙烯。在受限孔隙中的CV-QDs改变了量子限制效应，并通过物理化学方法对其进行了表征。目前的合成策略具有潜在的可扩展性，在1平方厘米的1毫克CVT光阳极上可以制备出数以千万亿计的异质结。在单太阳光照条件下，使用CVT时对乙醇的选择性达到约100%，产率为4.36 μmol h^-1 cm^-2，太阳能到燃料的效率（STFE）为0.56%。此外，通过使用共催化剂，对乙烯的选择性产率（39.5 μmol h^-1 cm^-2）和太阳能到燃料的效率（5.08）也显著提高。有意添加甲醇后，乙醇的产率提高了17.2倍，这表明甲基-甲氧基相互作用是C-C键形成的原因。将产率按大面积CVT光阳极中CV-QDs的克数进行归一化，得到每克CV-QDs产生的乙醇产率为109 mmol h^-1 g_CV-QD^-1，乙烯产率为988 mmol h^-1 g_CV-QD^-1。对C₂产物的增强活性和选择性归因于带边调制以及数以万亿计的异质结，这些异质结有助于电荷分离和电荷转移，从而在氧化还原位点实现有效的电荷利用。