光催化使用阳光或人造光源作为唯一的能量输入，使用低成本、环保的氧化剂(例如水和氧气)在低温下选择性地将甲烷氧化为C2+碳氢化合物或含氧化合物。图片来源：碳未来，清华大学出版社

一个研究小组发表了一篇综述论文，总结了利用光催化转化甲烷的最新进展。光催化是利用光加速化学反应的过程，为将甲烷转化为高价值燃料和化学品提供了一种有前景的绿色技术。在他们的论文中，该团队详细介绍了使用光催化剂进行甲烷转化的进展，并概述了仍然存在的挑战。

该团队在《碳未来》的一篇评论论文中发表了他们的发现。

目前大规模转化甲烷的商业途径涉及通过合成气的间接转化。由于甲烷是稳定且惰性的，因此激活和转化分子极具挑战性。目前的商业过程涉及高能源消耗和二氧化碳排放。

伦敦大学学院教授唐俊旺表示：“通过二氧化碳净零排放转向甲烷转化对于科学研究和工业界来说都是一项关键任务，因为它将生产高价值化学品，而不会造成潜在的灾难性后果。” 绕过合成气路线并使用光催化将甲烷转化为有价值的碳氢化合物和含氧化合物提供了一种绿色替代方案，因为光催化在温和条件下在将惰性甲烷活化和转化为碳氢化合物和含氧化合物方面具有优越性。

甲烷是一种相对清洁且低成本的燃料。它在世界各地的页岩气和甲烷水合物中含量丰富。甲烷也可以从生物系统中自然产生，也可以从生物质中人工产生。这种丰富性使其在发电和住宅供暖方面具有吸引力。在传统燃料中，甲烷的热值较高，且易于通过管道运输。然而，作为一种温室气体，甲烷比二氧化碳具有更高的全球变暖效应。

在 100 年的时间里，甲烷使地球变暖的程度至少是等量二氧化碳的 25 倍。在工业中，甲烷被广泛用作原料，生产化学品、肥料和氢气。2021年，美国工业用气量约占天然气总量的33%。天然气也是美国约 33% 工业的能源来源。

因此，甲烷目前不仅用作燃料，还用作基本化学来源。社会持续依赖甲烷来满足不断增长的能源需求，这对环境造成了负面影响。科学家需要开发通过低碳或零碳过程将甲烷转化为更有用、高价值的碳化学品的技术。

与涉及高于 400 °C 的高反应温度或昂贵氧化剂的热催化不同，光催化使用阳光或人造光源作为唯一的能量输入。光催化可以使用低成本、环境友好的氧化剂(例如水和氧气)在低温下 选择性地将甲烷氧化为C 2+碳氢化合物或含氧化合物。

研究小组指出，光催化目前并非没有缺点。其中包括其低产率和有限的转化为更有价值的产品。“此外，应更加关注更高价值的产品，这仍然是该领域的重大挑战，”唐说。

展望未来，团队将致力于通过设计具有活性反应位点的高效光催化剂以及优化反应体系，提高甲烷转化率，将甲烷转化为更有价值的产品。“我们的最终目标是通过光催化甲烷转化生产七种最基本的化学品，”唐说。

如果团队能够实现这一目标，那么相当一部分的化学品，如含氧化合物、碳氢化合物和聚合物，就可以通过光催化甲烷转化的低碳过程获得。“这可以显着减少主要化学品生产过程中的能源消耗和二氧化碳排放，”唐说。

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