Rational Design of Semiconductor Materials for Photocatalytic Conversion of Methane into Value‐Added Chemicals

合理设计 材料科学 甲烷 光催化 纳米技术 催化作用 异质结 半导体 惰性 碳纤维 选择性 金属有机骨架 多相催化 纳米材料 化学工程 化石燃料 面(心理学) 环境友好型 碳氢化合物 设计要素和原则
作者
Kai Sun,Benxing Gao,Hui Song,Jinhua Ye
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:: e73588-e73588
标识
DOI:10.1002/adma.73588
摘要

ABSTRACT Photocatalytic methane conversion offers a promising, low‐temperature pathway for upgrading this abundant yet highly inert hydrocarbon into value‐added chemicals, circumventing the energy‐intensive nature of conventional thermocatalytic processes. However, achieving high conversion efficiency and precise product selectivity remains a fundamental challenge. This review systematically summarizes recent advances in the rational design of semiconductor photocatalysts for methane valorization. We first outline the fundamentals of light‐driven CH 4 activation and standardized protocols for performance evaluation. We then highlight advancements in material engineering, encompassing metal oxides, carbon nitride, and emerging organic frameworks, with a focus on establishing fundamental structure–activity relationships. Particular emphasis is devoted to structural and interfacial engineering strategies, including cocatalyst integration, morphological control, defect engineering, facet regulation, heterojunction construction, and elemental doping, which cooperatively modulate electronic structures and charge dynamics to enhance catalytic performance. Furthermore, we examine the critical interplay between catalyst architecture and the reaction microenvironment in steering the targeted product selectivity toward specific C 1 oxygenates (methanol, formaldehyde, formic acid) and C 2 products (ethanol, acetic acid, ethane, and ethylene). Finally, we discuss current bottlenecks and future opportunities, providing a strategic framework to guide the atomic‐level design and practical optimization of next‐generation photocatalytic methane utilization systems.
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