缺陷氮化碳锚定铜单原子催化剂实现甲烷高选择性光催化氧化制甲醇

（编辑推荐）本研究通过构建铜单原子(Cu SA)锚定的缺陷氮化碳(Def-CN)催化剂，在温和条件下实现甲烷(CH4)到甲醇(CH3OH)的高效转化（选择性达92.8%）。该体系通过缺陷位点原位生成H2O2，并由Cu SA分解产生适量·OH自由基，协同解决甲烷活化与过度氧化难题，为碳一化学(C1 chemistry)提供新策略。

　　

Highlight

本研究成功开发了一种通过将铜单原子(Cu SA)引入缺陷氮化碳(Def-CN)的高效高选择性甲烷氧化制甲醇方法。研究结果表明，Def-CN主要通过氧还原和水氧化原位生成过氧化氢(H₂O₂)。Cu SA的引入不仅显著增强了甲烷的吸附和活化能力，还提升了光电性能。

Materials

三聚氰胺、乙酸(CH₃COOH)、甲醇(CH₃OH)、氯化铁(FeCl₃)、氯化铜(CuCl₂)、六水合氯化镍(NiCl₂·6H₂O)、六水合氯化钴(CoCl₂·6H₂O)、硫酸铜(CuSO₄)、三水合硝酸铜(Cu(NO₃)₂·3H₂O)、乙酸铜(Cu(OAc)₂)、过氧化氢(H₂O₂, 30 wt%)和5,5-二甲基-1-吡咯啉-N-氧化物(DMPO)购自国药化学试剂。乙酸铵(CH₃COONH₄)、戊烷-2,4-二酮(C₅H₈O₂)和对苯二甲酸(C₈H₆O₄)用于实验。

Characterization of catalyst

通过热聚合三聚氰胺和氯化铜混合物在氮气氛围中制备了锚定在Def-CN上的铜单原子(Cu SA/Def-CN)催化剂。XRD图谱显示Def-CN和Cu SA/Def-CN在12.7°和26.9°处呈现两个明显衍射峰（图1a），分别对应C₃N₄的(100)和(002)晶面[40]。

Conclusions

总之，我们通过在Def-CN缺陷位点引入铜单原子(Cu SA)，成功开发出高效高选择性的甲烷氧化制甲醇方法。研究表明Def-CN主要通过氧还原和水氧化原位生成过氧化氢，而Cu SA的引入不仅显著增强甲烷吸附活化能力，还提升了光电性能。