原子共享界面Bi2 S3 /BiOCl-OV 异质结通过S型电荷转移与光热效应协同促进甲烷选择性光氧化制甲醇

针对甲烷(CH4 )光氧化制甲醇(CH3 OH)效率低的问题，研究人员通过构建具有原子共享界面的S型Bi2 S3 /BiOCl-OV 异质结，结合光热效应协同策略，实现了11.83 mmol/g的甲醇产率（选择性90.2%），为太阳能驱动碳资源转化提供了新范式。

　　

论文解读

甲烷作为天然气的主要成分，其高效转化一直是能源化学领域的重大挑战。传统工业通过高温高压的间接合成气法将甲烷转化为甲醇，能耗高且易引发催化剂积碳失活。虽然光催化能在温和条件下直接活化甲烷，但单一催化剂存在电荷复合率高、近红外光利用率不足等瓶颈，导致甲醇产率和选择性难以兼顾。

河南理工大学的研究团队在《Journal of Colloid and Interface Science》发表研究，创新性地设计出具有原子共享界面的Bi₂
S₃
/BiOCl-O_V
异质结。通过阴离子交换法原位构建富含氧空位(O_V
)的S型异质结，结合Bi₂
S₃
的光热转化能力，实现了全光谱驱动下甲烷高效选择性氧化。实验显示，最优样品0.7-Bi₂
S₃
/BiOCl在模拟阳光下甲醇产率达11.83 mmol/g（选择性90.2%），较纯BiOCl提升4倍，户外自然光下仍保持10.79 mmol/g的优异性能。

关键技术方法

研究采用水热法合成BiOCl纳米片，通过阴离子交换原位生长Bi₂
S₃
纳米棒构建异质结；利用X射线衍射(XRD)和电子顺磁共振(EPR)表征晶体结构与氧空位；通过原位红外光谱和密度泛函理论(DFT)计算揭示反应机制；采用光电化学测试和表面光电压谱分析电荷转移行为。

研究结果

1. 结构表征与光热性能
XRD证实Bi₂
S₃
与BiOCl形成共格界面，EPR显示阴离子交换过程产生大量氧空位。紫外-可见-近红外光谱表明复合材料吸收边延伸至1400 nm，光热测试显示Bi₂
S₃
使催化剂表面温度升至58℃。

2. 电荷分离与活性物种
莫特-肖特基测试表明Bi₂
S₃
的导带(-0.62 eV)高于BiOCl(0.18 eV)，形成S型异质结促进电荷分离。原位电子自旋共振捕获到·O₂
^-
和·OH等活性氧物种，DFT计算证实氧空位降低甲烷吸附能至-0.48 eV。

3. 光催化性能
在AM1.5G光照下，0.7-Bi₂
S₃
/BiOCl的甲醇产率为11.83 mmol/g，表观量子效率达8.7%（420 nm）。同位素标记实验证明甲醇氧源自晶格氧而非气相O₂
。

结论与意义

该研究通过原子级界面工程和光热协同策略，突破了甲烷光氧化反应的动力学限制。S型异质结保留强氧化性光生空穴(+2.71 eV)用于甲烷活化，同时利用Bi₂
S₃
的光热效应加速表面反应；氧空位作为甲烷吸附位点降低C-H键解离能垒。这项工作为设计高效光热催化剂提供了新思路，推动太阳能驱动碳资源转化向实际应用迈进。