温和条件下光催化氧化CH4为液体燃料一直是科学界和工业界追求的目标，相比较传统的甲烷转化技术（尤其是甲烷水汽重整反应）需要的高温高压反应条件，基于半导体的光催化甲烷转化技术能够利用光能克服甲烷活化的能垒，被认为是一种极具前景的能够在温和条件下实现甲烷有效转化的途径之一。
近期，中国科学技术大学谢毅团队孙永福课题组设计了由两种不同金属氧化物组成的二维面内多孔Z型异质结构ZnO/Fe2O3，实现了精准调控CH4光氧化的活性和选择性。为了准确获得催化剂在光照条件下光生电子的迁移方向，该团队借助合肥光源催化与表面科学线站（BL11U）的同步辐射光电子能谱（SRPES）技术，通过光纤直接将氙灯光源引入至样品表面，在光照的条件下，原位测试Zn 2p及Fe 2p谱图，并与黑暗条件下测得的谱峰进行对比（图1a、b），证实了光照条件下，Zn位点作为电子给体而Fe位点作为电子受体的情况。结合同步辐射紫外光电子能谱（SRUPS）（图1c、d），该团队绘制出了ZnO/Fe2O3多孔纳米片的能带位置，明确了光激发后的光电子迁移方向，如图1e所示：光照激发后，电子从ZnO的价带跃迁至其导带，随后从ZnO的导带迁移至Fe2O3的价带，证明其是典型的直接Z型异质结构，这大大提高了光生载流子的分离效率，也是该催化剂具有高效光氧化CH4制CH3OH活性的重要原因之一。相关研究成果为设计高选择性和高活性甲烷光氧化催化剂体系提供了新的思路，并以“Room Temperature Photooxidation of CH4 to CH3OH with Nearly 100% Selectivity over Hetero-ZnO/Fe2O3 Porous Nanosheets”为题在线发表于国际著名学术期刊Journal of the American Chemical Society 上（https://doi.org/10.1021/jacs.2c03866）。
该成果得到了合肥光源（NSRL）宝贵机时的支持，也受到了科技部国家重点研发计划、国家自然科学基金等基金资助。
图1. （a）黑暗与光照条件下的Zn 2p谱图；（b）黑暗与光照条件下的Fe 2p谱图；（c）通过SRUPS测试二次电子截止边（入射光子能量40 eV）；（d）通过SRUPS测试价带边（入射光子能量40 eV）；（e）ZnO/Fe2O3能带位置及光电子迁移路径图。
原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.2c03866
