▲第一作者：邱珊珊

通讯作者：蒋雨恒、韩冬雪、范英英

通讯单位： 广州大学

论文DOI： 10.1002/aenm.202406119

近日，范英英团队在《Advanced Energy Materials》期刊上发表重要研究成果，成功制备出一种镍簇修饰的高表面能晶面三氧化钨（Ni/c-WO₃）光催化剂，通过双活性位点协同机制，在温和条件下高效催化甲烷（CH₄）氧化为甲醛（HCHO），HCHO产率达3.27 mmol g^-1 h^-1，选择性高达98.2%，为CH₄资源的清洁利用提供了新路径。

（1）双活性位点设计：通过硬模板法结合水热处理，制备了暴露（002）、（200）、（020）高表面能晶面的立方WO₃（c-WO₃），负载镍簇（平均尺寸0.4 nm）。该结构既保留了WO₃晶格氧的活性位点氧化能力，又通过镍簇引入自由基反应路径，形成“双活性位点”协同催化体系。

（2）性能突破：Ni_0.1/c-WO₃催化剂实现了三大性能优势：

①高产率：HCHO产率达3.27 mmol g^-1h^-1，较未修饰的WO₃提升4倍；

②高选择性：通过调控氧气分压与水体积，HCHO选择性可达98.2%；

③高稳定性：循环五次性能无明显衰减，24小时连续反应产率保持线性增长。

（3）反应机制解析：双活性位点协同提升了CH₄活化效率，打破了传统单一路径的性能限制。

①活性位点机制：WO₃晶格氧作为光生空穴捕获中心，直接活化CH₄生成HCHO，反应中消耗的晶格氧可通过氧气吸附再生；

②自由基机制：镍簇促进CH₄转化为·CH₃，并与氧气还原生成的·OOH自由基结合，经甲基过氧化氢（CH₃OOH）中间体转化为HCHO。

图一：催化剂合成及表征：TEM证实高表面能c-WO₃的成功合成，Ni团簇均匀分布，形成丰富活性位点

图二：同步辐射证明Ni物种呈现为金属团簇，并通过Ni-O键与c-WO₃表面连接

图三：性能对比：Ni_0.1/c-WO₃在产率、选择性上均表现优异

图四：DFT计算及反应路径图示：直观展示Ni_0.1/c-WO₃的“双活性位点”机制——“活性位点机制”和“自由基机制”的CH₄氧化过程

该研究首次通过非贵金属镍簇与WO₃晶格氧的协同作用，构建了高效双活性位点光催化体系，为温和条件下CH₄转化提供了低成本、高选择性的解决方案。未来团队将进一步探索催化剂的规模化制备工艺，并拓展至其他低碳烃类的光催化转化，推动能源催化领域的绿色化转型。

范英英，广州大学副教授，广州市高层次人才。主要从事光催化气体小分子转化研究。目前以通讯和第一作者身份在Nat. Sustain., Nat. Commun., JACS, Angew. Chemical. Int. Ed., Adv. Mater.等期刊发表文章20余篇，获吉林省自然科学奖二等奖1项（排名第3），广东省测量控制与仪器仪表科学技术二等奖（排名第7），广州大学教学成果奖一等奖（排名第5），广州大学黄大年式教师团队四星级团队荣誉称号（排名第6），主持国家级、省部级、市级项目6项。资深审稿人，长期为Angew. Chem. Int. Ed.、Adv. Energy Mater.、CEJ等国际顶级期刊审阅稿件