生化学院教师陈立伟在《Nature Communications》发表文章

近日，河北大学叶金花教授、郝宇晨教授，北京理工大学王博教授，与我们生物与化学工程学院青年教师陈立伟合作，在国际顶级学术期刊《Nature Communications》（中国科学院1区，影响因子=16.6）上发表了题为“Continuous photo-oxidation of methane to methanol at an atomically tailored reticular gas-solid interface”的研究论文（DOI: 10.1038/s41467-025-56180-7）。该研究聚焦于甲烷温和氧化转化的新策略，陈立伟作为共同第一作者参与了相关研究工作。

甲烷（CH₄）是最重要的温室气体之一，同时也是化学工业的重要原料。传统上，甲烷氧化生成甲醇（CH₃OH）的工业路线需在高温高压条件下进行，能耗极高且成本昂贵。近年来，光催化氧化甲烷（PTMO）技术因其温和的反应条件和可再生能源利用潜力而受到广泛关注。然而，当前的PTMO体系主要依赖于水溶液相介质，而水相体系会导致甲烷溶解度极低、反应中间体过氧化氢（H₂O₂）被稀释，进而显著降低催化效率。因此，开发一种高效的气固界面催化体系，实现连续、可控、高效的光催化甲烷氧化，成为本领域的关键挑战。

该研究提出了一种基于金属-有机框架（MOF）膜反应器的气固界面催化策略，通过单原子钯（Pd₁）和铁（Fe₁）协同催化，实现了光催化甲烷氧化高效合成甲醇。研究发现，该体系在无需液态水的情况下，可通过MOF“可呼吸”膜的高通量气体扩散特性，实现超长时间（210小时）连续光催化甲烷氧化，甲醇产率高达14.4 mmol·g⁻¹·h⁻¹，远超现有催化体系。

关键科学发现：

1. 协同催化机制：Pd₁位点催化O₂还原生成H₂O₂，Fe₁位点则通过H₂O₂氧化甲烷，高效避免H₂O₂在液相中的稀释损耗。

2. 界面优化：MOF膜结构优化了气固界面传质，使甲烷和氧气富集在催化中心，提高反应效率。

3. 光热效应调控：通过太阳光加热MOF膜，驱除界面水分，提高甲烷氧化选择性，使甲醇收率达到100%。

该研究不仅突破了传统水相PTMO体系的局限性，为甲烷温和氧化提供了全新的催化平台，同时也为太阳能驱动的碳中和技术提供了重要的技术储备。未来，该技术可进一步拓展至天然气精细化工、碳中和燃料合成等领域，在能源与环境领域具有广阔的应用前景。

近年来，必威betway东盟体育积极推动科研创新，不断加强高水平科研团队建设，取得了一系列标志性成果。本项研究的成功发表，不仅展示了学院在能源化学领域的前沿研究实力，也进一步提升了学院的国际学术影响力。

撰稿人：冯雷

审稿人：高星