在低温下激活甲烷和其他气态烃类，对化学界而言仍是一项重大挑战。

2025年9月9日，福州大学王心晨在国际著名期刊Journal of the American Chemical Society发表《Photofunctionalization of Light Alkanes by FeO_x/BCN at 12 °C》的研究论文，Tao Yuan为论文第一作者，王心晨为论文通讯作者。

在本文中，作者报道了一种基于结晶硼碳氮化物（BCN）负载的铁-氧纳米簇的厌氧光系统，该系统能在12 °C下选择性地将甲烷、乙烷及更高级烷烃的C-H键转化为高附加值有机化学品。

扫描透射电子显微镜和X射线吸收光谱证实，铁-氧簇中存在超细的FeOOH和Fe₃O₄物种，这些物种增强了BCN的界面电荷转移/分离性能以及甲烷的化学吸附。

通过原位漫反射红外傅里叶变换光谱和密度泛函理论（DFT）计算进行的机理研究表明，甲烷在末端铁羟基的路易斯酸碱位点上发生键合和极化，从根本上降低了C-H键活化的能垒。

在BCN引发的氯自由基的协同催化下，甲烷、乙烷及更高级烷烃的C-H键均裂顺利进行，生成了胺化、烷基化和芳基化产物，且底物范围广泛（共36个实例）。

本研究为天然气的可持续转化提供了一条极具前景的多相光催化途径，具有能耗低、效率高的特点。

图1：(a) 通过光氧化还原催化将轻烷烃转化为烷基自由基的C-H活化能量示意图。(b) 强C-H键和H-Cl键的键解离能。(c) 在FeO_x/BCN表面由氯自由基促进的甲烷（包括甲烷）的C-H官能化。LA表示路易斯酸的短；LB表示路易斯碱的短。

图2：(a) AC-HAADF-STEM图像。(b) Fe 2p XPS谱图。(c) Fe K边XANES谱图以及 (d) 0.55金属重量百分比FeO_x/BCN和参考物的k³加权FT-EXAFS谱图。(e) 0.55金属重量百分比FeO_x/BCN在R空间的Fe K边EXAFS傅里叶变换曲线；插图：k空间。(f) Fe₃O₄、FeOOH参考物以及0.55金属重量百分比FeO_x/BCN的WT-EXAFS图。

图3：(a) UV-Vis DRS光谱；插图：BCN的 (F(R)hν)²与E图。(b) BCN的能带结构示意图。(c) BCN和FeO_x/BCN样品的光致发光光谱。(d) 0.55金属重量百分比FeO_x/BCN在氙灯照射前后的Fe 2p XPS光谱。(e) BCN和0.55金属重量百分比FeO_x/BCN的CH₄TPD轮廓。(f) 在暗处或光照下，0.55金属重量百分比比FeO_x/BCN上CH₄的吸附原位DRIFTS光谱。

图4：(a) 在不同反应温度下，0.55金属重量百分比FeO_x/BCN催化剂上甲烷氨化产物和氢化产物的产率。(b) 在0.55金属重量百分比FeO_x/BCN光催化剂上，氨化和副产物的产率随时间变化。(c) 在0.55金属重量百分比FeO_x/BCN光催化剂上，氨化和副产物的产率随波长变化。(d) 对照实验。

图5：(a) FeO_x/BCN的电荷密度差异，等值面为6 × 10^-3 e/ų。黄色和青色区域分别表示电子的积累和耗尽。(b) FeO_x/BCN的平面平均电荷密度差异Δρ(z)。(c) 在BCN和FeO_x/BCN上甲烷的C−H活化计算能量轮廓，采用级联氯自由基催化。(d) 自由基猝灭和氯自由基捕获测试。(e) 在FeO_x/BCN上光驱动甲烷C−H官能化的可能反应路径。

综上，作者开发了一种新型的光催化系统，该系统基于晶体硼碳氮化物（BCN）支撑的Fe-O纳米簇，能够在12 °C的低温下选择性地将甲烷、乙烷和更高烷烃的C−H键转化为高附加值的有机化学品。

本成果为在温和条件下通过异质光催化实现天然气分子的可持续转化提供了一条有前景的途径，对于提高能源效率和开发新型能源存储技术具有重要意义。

Photofunctionalization of Light Alkanes by FeO_x/BCN at 12 °C. J. Am. Chem. Soc., 2025. https://doi.org/10.1021/jacs.5c12625.