日本九州市立大學(xué)天野史章準教授領(lǐng)導(dǎo)的研究小組開發(fā)出一種新工藝，在溫室環(huán)境下利用低能量可見光，只需一個步驟即可完成從甲烷（CH4）轉(zhuǎn)換為乙烷（C2H6）和氫氣（H2）的光電化學(xué)反應(yīng)過程。
傳統(tǒng)的甲烷變換反應(yīng)需通過多個工序且消耗大量能源，研究人員一直期待開發(fā)出將甲烷直接變換為有用化學(xué)品的化學(xué)流程。通常要在高溫條件下，缺乏化學(xué)反應(yīng)的甲烷分子穩(wěn)定的C-H鍵才能在熱催化劑上活化。雖然光催化劑可在室溫環(huán)境下將甲烷活化為甲基自由基，但需要紫外線等高能光源，同時還存在吸收的光子用於反應(yīng)的效率（量子效率）非常低的問題。
在最新研究中，該團隊獨立開發(fā)了用於啟動氣相分子的光電化學(xué)反應(yīng)過程，利用可見光在低溫下將甲烷轉(zhuǎn)換成乙烷和氫。在使用氧化鎢（WO3）電極時，在藍色可見光照射下進行甲烷的均質(zhì)偶聯(lián)反應(yīng)，發(fā)現(xiàn)在所有產(chǎn)物中以50%以上的選擇率生成乙烷。通過施加電場，光激發(fā)電子和空穴的再結(jié)合被抑制，與傳統(tǒng)的光催化反應(yīng)方法相比，量子效率大幅度提高。這是首次實現(xiàn)室溫下使用可見光能源製造氫氣。
這種新工藝有望利用豐富的天然資源甲烷製造氫氣和化工產(chǎn)品原料，創(chuàng)造新的燃氣化學(xué)產(chǎn)業(yè)。
氧化鎢是一種新型的半導(dǎo)體材料，也是少數(shù)幾種易於實現(xiàn)量子尺寸效應(yīng)的氧化物半導(dǎo)體之一，兼具電致變色、吸收、催化等特性，已被廣泛用於燃料電池，化學(xué)感測器、光電器件等領(lǐng)域。氧化鎢電極材料具有優(yōu)異的電化學(xué)性能，具有較高的庫倫效率同時還能保持較好的迴圈穩(wěn)定性、結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。
