近期，中国科大苏州高等研究院刘东教授课题组在通过Cu和Si共掺杂调控TiO2的电子结构以优化TiO2光催化反应中的活性氧物种，实现了温和条件下优异的光催化甲烷转化性能，并通过多种原位表征揭示了Cu和Si共掺杂在光催化甲烷转化中的作用。该研究成果以“Cu and Si co-doping on TiO2 nanosheets to modulate reactive oxygen species for efficient photocatalytic methane conversion”为题发表在Nanoscale Horizons上。中国科大高研院马军博士为本文的第一作者，刘东教授为本文的共同通讯作者。

光催化甲烷转化机理图

天然气作为重要的清洁低碳能源和化工原材料受到了广泛的关注。然而天然气主要成分甲烷的分子结构极其稳定，目前的天然气有效转化需在高温高压等苛刻的条件下进行。新兴的光催化甲烷转化技术能够利用光激发产生活性氧物种断裂甲烷C–H键，有效降低甲烷C–H键的活化能垒，进而在温和条件下实现甲烷的有效转化。然而目前光催化甲烷转化的实际应用仍受限于C–H键活化效率低、C2+产物选择性低等问题。因此，需要理性构筑活性位点促进C–H键活化和C–C键偶联，抑制甲烷的过度氧化。有鉴于此，中国科学技术大学熊宇杰教授团队龙冉教授与刘东教授合作通过Cu和Si共掺杂调控TiO2的电子结构以优化TiO2光催化反应中的活性氧物种，从而促进甲烷C–H键的活化和关键中间体（甲基、甲氧基）的稳定，以提升光催化甲烷向C2+产物转化的性能。首先利用溶剂热法合成了Cu和Si共掺杂的超薄TiO2纳米片结构，进一步的X射线光电子能谱和拉曼光谱表征发现Cu和Si掺杂形成的Ti–O–Cu和Ti–O–Si键能够调控TiO2纳米片的电子结构。随后利用原位电子顺磁共振自由基捕获实验和原位傅里叶变换红外光谱证实共掺杂不仅能够调控TiO2光催化过程中的活性氧物种，同时还能促进甲烷分子在催化剂表面的吸附。得益于对电子结构和活性氧物种的优化调控，Cu和Si共掺杂TiO2纳米结构实现了优异的光催化甲烷偶联生成乙烷的性能。该工作通过共掺杂调控活性氧物种以提高光催化甲烷转化C2+产物选择性的思路能够为高效甲烷选择性转化催化剂的设计提供了借鉴，助力碳达峰、碳中和目标的实现。

该工作得到了国家自然科学基金委、科技部、中科院、安徽省、苏州市等项目的支持。

论文链接：https://doi.org/10.1039/D2NH00457G