清华大学化工系唐军旺团队合作实现甲醇高选择性制甲醛并副产绿氢

甲醇是C1化工和煤化工最重要的中间体，其中全球大约1/3的甲醇用于生产甲醛。目前工业甲醛生产主要依赖Formox甲醇氧化路线，通常需要250～400 ℃的反应温度，并依赖外加氧气，存在能耗较高、热管理要求高以及产生大量废水等问题。另一方面，传统甲醇制氢主要采用蒸汽重整路线，通常需要200～350 ℃的反应温度，同样面临能耗较高和副产COx等问题。若通过甲醇直接脱氢（CH₃OH → HCHO + H₂），可在无需外加氧气的条件下，将甲醇中的碳全部保留为高附加值甲醛，同时联产绿氢，这样同时提供不同于以上工业甲醛合成和氢气生产的新路径。

近日，化学工程系唐军旺教授团队在甲醇绿色转化领域取得新进展。团队提出光子-声子协同驱动催化策略，通过Li调控Pt单原子局域结构，实现了温和条件下甲醇高选择性制甲醛并副产氢气。

光子-声子协同催化甲醇脱氢制甲醛并联产氢气的反应机理示意图

在催化性能方面，团队构筑了Li调控的Pt单原子/TiO₂催化体系（Pt1Li₂-TiO₂）。在150℃、365nm光照条件下，氢气生成速率达到4.36 mol g^-1h^-1。甲醛选择性约94%，甲醛产率约为公开报道的工业铁钼催化甲醇氧化生产实例的10倍多。产氢的表观周转频率（ATOF）达275,000 h-1，也是目前报道最好的热催化甲醇制氢的10倍以上，实现了总体量子产率（OQY）达到184%。此外，该催化剂在19天模拟日夜循环运行中表现出良好的稳定性，并在间歇反应器中获得21.2 wt%的甲醛溶液，显示出进一步应用研究的潜力。

实验表征与理论计算同时揭示了光子-声子协同催化（PPCC）的作用机制。光照激发产生电子和空穴，空穴优先氧化吸附水生成羟基自由基（·OH），进而从甲醇中提取氢原子，形成·CH₂OH中间体；声子（热能）促进极化子由体相向表面迁移，并推动·CH₂OH进一步脱氢生成甲醛。与此同时，光生电子迁移至Pt-Li活性位，参与氢气生成。

研究还发现，Li通过调控Pt周围的局域微环境，促进光生电荷分离与电子迁移，稳定高分散的Pt²⁺单原子态，并优化表面H吸附与析氢过程，从而实现催化活性与结构稳定性的协同提升。

该研究将体相光物理过程与表面化学反应相衔接，通过光子与声子分别满足不同的反应步骤所需的能量（也即能量的量化供应概念），为克服单一能量场下的效率与选择性限制提供了新思路，也为低温甲醛绿色合成及联产绿氢提供了工业放大基础。

研究成果以“甲醇绿色合成氢气与甲醛的量子效率增强研究”（Green synthesis of hydrogen and formaldehyde from methanol with enhanced quantum efficiency）为题，于10月5日发表于《自然·可持续发展》（Nature Sustainability）。

清华大学化工系博士后赵江婷、熊伦乔为论文共同第一作者。论文的共同通讯作者为美国普林斯顿大学安娜贝拉·塞洛尼（Annabella Selloni）教授、上海交通大学龚学庆教授、中国科学技术大学黄伟新教授和唐军旺教授。

该研究汇聚了中美多单位科研力量，通过国际合作与多学科交叉，共同推动了光子-声子协同催化理论与甲醇绿色转化技术的发展。

研究获得国家重点研发计划、国家自然科学基金和北京市项目的资助。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41893-026-01959-9

供稿：化工系

编辑：李华山

审核：王晓霞