近日，足球365比分_365体育投注-直播*官网理工大学刘佳、张加涛教授团队与国家纳米中心唐智勇院士团队合作，在光催化甲烷室温转化领域取得重要进展，相关研究成果以“Near-infrared photon-triggered CH4-to-CH3OH conversion over plasmonic oxyselenides”为题在国际顶级期刊《Nature Communications》发表（DOI: 10.1038/s41467-025-63008-x）。这一研究成果为温和条件下的甲烷活化与利用提供了全新的光催化剂设计平台。足球365比分_365体育投注-直播*官网理工大学材料学院刘佳副教授，化学与化工学院张加涛教授为本论文共同通讯作者，博士研究生张修铭、蒋雨恒，谷鸿飞为共同第一作者。

作为地球上储量丰富的碳基能源载体，甲烷的高附加值转化利用对于全球能源与工业的可持续发展具有重要意义。目前，甲烷转化通常需要在高温条件（600-1100 °C）或高能量光子的辐照下（> 2.8 eV）进行。然而，以室温条件下甲烷与氧气反应转化为甲醇为例，其反应吉布斯自由能ΔG° < 0，2CH4 + O2 → 2CH3OH ΔG°(298K) = -222.6 kJ mol-1表明虽然甲烷分子具有高结构惰性与化学稳定性，但其氧化反应在热力学上属于自发过程，目前研究中该反应对能量的大量需求主要用于克服较高的反应活化能（Ea）。如果能够开发一种更加适宜的催化剂显著降低活化能，则有望在温和的反应条件下实现惰性甲烷分子到甲醇燃料分子的高效转化。

针对该难题，研究团队基于在等离激元共振（LSPR）增强光催化材料设计合成方面取得的系列研究进展（Chem. Rev. 2020, 120, 2123; Nano Lett. 2021, 21, 6228; Nano Energy 2022, 98, 107217; Adv. Mater. 2023, 35, 2207555; Sci. Adv. 2024, 10, eadq2791; ACS Energy Lett. 2025, 10, 1347；Angew. Chem. Int. Ed. 2025, 64, e202425601），开发出一类新型LSPR半导体光催化剂——CuSeO3-x。该材料因富含氧空位（Ov）产生高浓度自由电子，进而引发LSPR效应，在700-1300 nm近红外光范围内呈现强烈光吸收。研究表明，CuSeO3-x中的CuII-Ov位点能够捕获LSPR激发产生的热电子，并充当活性中心显著降低O2还原为?OH的动力学能垒，促进CH4到CH3?的活化过程。在 Au助催化剂辅助下，CuSeO3-x能够将甲烷选择性氧化反应的活化能降低至0.28 eV，从而可利用近红外光子在25°C室温条件下实现甲烷到甲醇的高效转化，800 nm波长下获得1.5%的表观量子产率（AQY）和96.2%的甲醇选择性。

图1 CuSeO3-x的结构与光物理性质表征

研究团队通过调节水热反应中Cu源与Se源前驱体的摩尔比，成功制备出一系列富含氧空位的三斜晶系CuSeO3-x材料。XPS、EPR与莫特-肖特基测试表明改变前驱体比例可精确调节氧空位及自由电子浓度，从而使材料在700-1300 nm近红外光范围内呈现强烈的LSPR吸收。

图2 CuSeO3-x中Cu原子配位环境表征

表1 同步辐射表征揭示氧空位微观结构

EXAFS表征揭示了材料中的氧空位以Ov1-3型（对称三配位，Cu-O键长2.00 ?）为主导构型。

图3 光催化甲烷选择性氧化反应性能评价

负载Au纳米颗粒助催化剂后，Au/CuSeO2.82在常温常压下能够以O2分子为氧化剂，高效将甲烷氧化为甲醇，甲醇生成速率为4780 μmol g-1，选择性达95.3%。进一步提高反应压力可在2.0 MPa下将甲醇生成速率提高至6440 μmol g-1，选择性保持不变，反应活化能低至0.28 eV，在800 nm的AQY高达1.5%，表明Au/CuSeO2.82能够利用低能量的近红外光子有效活化惰性甲烷分子。

图4 光催化甲烷选择性氧化反应机理研究

原位XPS研究表明，Cu2+与Au能够分别捕获光生电子与空穴，实现载流子的高效分离。香豆素荧光实验与自由基淬灭实验证明?OH自由基完全来自O2还原反应，而?CH3自由基由?OH活化CH4分子产生。DFT计算表明，CuSeO3-x中的CuII-Ov位点构成了一个独特的活性中心，其既能捕获LSPR激发产生的热电子，又能为O2还原为?OH自由基的反应过程提供有利的动力学路径。

图5 CuSeO3-x表面O2活化过程与关键反应中间体分析

综上所述，本研究成功开发出一种新型LSPR光催化材料CuSeO3-x，能够利用近红外光与分子氧在常温下实现CH4向CH3OH的高效转化。本研究证实低能量近红外光子可作为单一能量来源活化惰性CH4分子，同时为拓展当前有限的LSPR半导体种类提供了一种全新的材料体系。

论文详情：Xiuming Zhang?, Yuheng Jiang?, Hongfei Gu?, Haoqing Zhang, Yuemei Li, Zexuan Lu, Shuping Zhang, Jia Liu*, Jiatao Zhang*, Zhiyong Tang, Nat. Commun. 2025, 16, 7612.

文章链接：https://www.nature.com/articles/s41467-025-63008-x

附作者简介：

刘佳，足球365比分_365体育投注-直播*官网理工大学材料学院长聘副教授，博士生导师。主要从事太阳能光-化学转化催化材料的设计与合成，以第一/通讯作者在Chem. Rev., Sci. Adv., Nat. Commun., Angew. Chem. Int. Ed., Adv. Mater., ACS Energy Lett., Nano Lett.等期刊发表论文30余篇，主持国家自然科学基金项目3项，作为第二完成人获足球365比分_365体育投注-直播*官网市自然科学奖二等奖。

张加涛，足球365比分_365体育投注-直播*官网理工大学化学与化工学院院长，结构可控先进功能材料与绿色应用足球365比分_365体育投注-直播*官网市重点实验室主任，英国皇家化学会会士，国家级领军人才。主要从事半导体纳米材料合成化学、组装及其光电新能源、生物医学应用研究。以第一/通讯作者在Nature, Science, Chem. Rev., Nature Nanotech., Sci. Adv., Nature Commun., J. Am. Chem. Soc., Chem, Angew. Chem., Adv. Mater.等国际顶级SCI学术期刊上发表论文150余篇，研究工作已被他人引用1万5千余次，H因子60。成果获得足球365比分_365体育投注-直播*官网市自然科学二等奖（排1），中国材料研究学会科学技术奖二等奖（排1）。目前担任中国材料研究学会纳米材料与器件分会副理事长，中国化学会理事，中国化工学会化学工程专业委员会委员，中国化工学会智能制造专委会委员，中国金属学会功能材料分会委员等职。Science合作期刊Energy Material Advances 期刊执行副主编，Nano Res., PNS: MI, Rare Metals 3个SCI期刊编委。荣获2019国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）新材料及合成杰出奖、中国材料学术联盟IFAM2018青年科学家奖、2023/24年科睿唯安全球高被引科学家等。