甲烷（CH4）的光电化学（PEC）转化已被广泛用于生产增值化学品，但在实现C2+产物的高选择性方面仍然是一个巨大的挑战。

       近日，中国科大熊宇杰教授，龙冉副教授团队及合作者报道了利用晶面调控策略来优化三氧化钨(WO3)光阳极表面羟基自由基(•OH)反应活性，进而利用优化的三氧化钨光阳极将甲烷高效转化为高附加值产物乙二醇(图1）。首先，通过材料模拟和原位自由基捕获实验相结合深入研究了三氧化钨不同晶面上羟基自由基的活性，结果表明{010}晶面上的羟基自由基具有最强的反应活性(图2）。随后的光电催化的实验发现具有最高{010}晶面比例的三氧化钨光阳极表现出最佳的甲烷转化性能，实现了0.47 µmol cm^–2h^–1的乙二醇生成速率，甲烷转化乙二醇的选择性达66%。进一步的原位表征实验发现甲醇(CH3OH)作为中间体，被高活性的羟基自由基进攻生成的羟甲基自由基(•CH2OH)会进一步偶联生成乙二醇(HOCH2CH2OH)。

图1：WO3NB光电甲烷转化为乙二醇路径示意图

图2：三种不同WO3光阳极扫描图片及晶面示意图

       本工作提出了基于三氧化钨的高效转化甲烷制乙二醇的光电化学策略。基于材料模拟和自由基捕获结果，揭示了WO3光阳极{010}晶面上•OH较强的反应活性能够为温和条件转化甲烷制高价值产物提供高活性的活性氧物种。本工作为高活性与选择性的CH4向高附加值产物转化提供了新的见解，同时强调了活性氧物种的调控在甲烷转化性能提升中的重要作用。

       相关成果以“Efficient Photoelectrochemical Conversion of Methane into Ethylene Glycol by WO3 Nanobar Arrays”为题发表于《德国应用化学》期刊 (Angew. Chem. Int. Ed., 2021, DOI:10.1002/anie.202101701)。熊宇杰和龙冉为论文的通讯作者。该研究工作得到国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院洁净能源创新研究院合作基金等经费来源的支持。(文/图 中国科大)