隨著石油資源的日益枯竭，主要由甲烷組成的天然氣、頁巖氣資源將因其可觀的蘊藏量而成為21世紀最有希望的替代能源和化工原料之一。盡管甲烷的儲量非常巨大，但現階段，這些優質、清潔的碳氫資源基本作為低價值燃料直接使用，這種使用方式不僅造成了巨量的資源浪費還帶來了巨大的環境壓力。因此，大力發展甲烷轉化技術既是實現低碳烷烴高效清潔利用與轉化的一種切實方式，同時也可以解決化學工業對石油資源的單純依賴，符合我國未來重大戰略需求。以氧氣作為氧化劑來實現甲烷的選擇性氧化生成甲醇，不僅綠色環保，還具有“原子經濟性”。然而，甲烷分子具有高度的四面體對稱性，其碳氫鍵的鍵能高達439.3 kJ/mol，難以被活化。同時，甲烷的部分氧化產物也存在著容易過度氧化到二氧化碳的問題。因此，甲烷的活化和定向轉化被譽為是催化，乃至化學領域的“圣杯”。
有鑒于此，中國科學技術大學曾杰教授與李微雪教授團隊合作設計構筑了黑磷負載的金單原子催化劑，實現了甲烷在溫和條件下高選擇性氧化制甲醇。通過原位機理研究與理論計算，深入揭示了甲烷選擇性氧化過程中氧氣和甲烷的活化機制，為水在反應過程中的作用提供了新的理解。
本文要點
要點1. 研究人員使用注射泵以一定速率往黑磷納米片的乙醇溶液中加入氯金酸水溶液，最終獲得負載金單原子的黑磷納米片催化劑。HAADF-STEM圖像顯示，金原子獨立、均勻地分布在黑磷納米片載體上。通過XANES表征發現Au的價態大約在+1價左右。通過EXAFS表征Au原子的配位環境，發現Au原子與黑磷上的2個P原子配位。
要點2. 研究人員測試了負載金單原子的黑磷納米片催化劑在90 oC不同條件下的甲烷氧化反應性能，發現只有同時滿足光照、水和氧氣條件下才能產生甲醇。在50-90 oC區間內，催化劑產甲醇的質量活性隨溫度、光照功率的增加而增加。改變不同的光照功率，催化劑產甲醇的表觀活化能不發生明顯變化。
要點3. 結合原位紅外和ESR實驗結果和理論計算，提出了光照條件下氧氣和甲烷的活化機制。首先，黑磷價帶中的電子被光激發出來，與處于基態的三線態氧反應，生成自旋雙重態的超氧離子。超氧離子與黑磷表面的空穴復合，形成單線態氧。單線態氧可以與水反應生成吸附態的P-OH和P-OOH。P-OOH很容易分解產生?OH自由基。甲烷能夠與P-OH反應脫水生成CH3*吸附在金單原子上，?OH自由基能夠與CH3*反應生成CH3OH脫附。而無光照條件下，甲烷能夠與表面的P=O物種作用生成CH3*吸附在金單原子上，并得到P-OH。但是由于CH3*和P-OH之間存在空間位阻，無法結合生成CH3OH脫附。在反應中，水既參與了反應，又是生成物，可以視為催化劑。
Laihao Luo, Jie Luo et al. Water enables mild oxidation of methane to methanol on goldsingle-atom catalysts. Nature Communications 2021.
DOI:10.1038/s41467-021-21482-z
https://www.nature.com/articles/s41467-021-21482-z
研究團隊介紹及招聘信息
曾杰，1980年9月出生于河南省商城縣，現任中國科學技術大學教授、博士生導師，國家杰出青年科學基金入選者，國家“萬人計劃”科技創新領軍人才，國家重大科學研究計劃青年專項首席科學家，獲中國青年科技獎特別獎、第十屆“侯德榜化工科學技術青年獎”、中國化學會-贏創化學創新獎-杰出青年科學家獎、安徽省自然科學一等獎、中科院優秀導師獎、安徽省青年五四獎章、中國新銳科技人物等獎項。
曾杰教授主要研究領域為碳一催化，旨在實現高效轉化碳基小分子（如CO、CO2和CH4）制備液體燃料和高附加值化工品。近年來已在Nature Nanotechnol. (2篇)，Nature Energy (1篇)，Chem (1篇)，Nature Commun. (9篇)， Chem. Rev. (2篇)，JACS (12篇)，Angew. Chem. Int. Ed. (18篇)，Nano Lett. (19篇)，Adv. Mater. (9篇)等高影響力學術期刊發表了164篇論文，總被引用13000余次。38篇論文單篇被引過百次，H因子為62。出版書籍三部，申請中國專利43項、美國專利4項。部分研究成果被Nature Mater.雜志、Angew. Chem. Int. Ed. 雜志、C&EN News、Materials Views等國際科學媒體廣泛報道，并多次被CCTV、《人民日報》、《人民日報（海外版）》、《光明日報》、《科技日報》等多家國內主流媒體關注。
課題組擁有一流的工作平臺，開放活躍的學術氛圍和豐富的國內外交流合作機會。現有平臺和儀器包括原位DRIFTS、TPD-MS、BET、電化學測試一體化測試平臺、各類固定床和漿態床反應器、UV、Plasma等多種催化劑表征和測試儀器。此外課題組和上海光源、合肥光源具有高度密切的合作關系，并以此搭建了各類原位測試平臺。
課題組主頁：http://catalysis.ustc.edu.cn/
招聘崗位
招聘博士后/特任副研究員，開展電驅動、熱驅動以及熱電驅動多相催化反應，反應包括CO2/CO還原、甲烷部分氧化、丙烷脫氫、小分子電合成等研究。
申請條件：
1. 已獲得博士學位或應屆博士畢業生，在電催化、熱催化、理論計算等領域有扎實的研究基礎。
2. 應聘特任副研究員原則上應具有兩年或以上的博士后經歷，國外著名高校優秀博士畢業生且科研業績突出者可破格申請。
3. 具有良好的英文聽說讀寫能力。
崗位待遇：
1. 聘期 2-3 年。
2. 工資待遇（博士后年薪21萬元以上，特任副研究員年薪 24 萬元以上，特別優秀的將視個人情況面談）：
此外，課題組會推薦優秀申請人申報中科大“墨子杰出青年特殊津貼”，入選后年薪可在基礎數額之上增加 15 萬元（一等資助）/5 萬元（二等資助）。
3. 學校為博士后/特任副研究員辦理社會保險（基本養老保險、失業保險、基本醫療保險及醫療救助保險、工傷保險、生育保險）和住房公積金。
4. 學校為博士后/特任副研究員提供兩室帶全套家具的周轉房。對不要求安排人才公寓住房者發放租房補貼，補貼標準由學校統一制定。
5. 博士后/特任副研究員子女可在科大附屬幼兒園、附小、附中就學，免交贊助費。幼兒園為孩子每日提供“三餐一點”（早、中、晚三餐和下午一次點心），免除家庭的后顧之憂。
6. 特任副研究員期滿考核優秀者，可申請學校的“副研究員”或“副教授”崗位；博士后期滿考核優秀者，可申請學校的“特任副研究員”崗位。課題組將會積極幫助出站博士后聯系申請高等院校及研究所的工作，或推薦國際一流著名院校進一步深造。
申請方式
請申請者將申請材料發送到以下郵箱：zengj@ustc.edu.cn，郵件以“博士后/特任副研究員申請+姓名”命名。本課題組承諾對所有應聘者材料給予保密。
歡迎有志于從事相關研究的博士進入本課題組，共同開展研究工作！
聯系方式：
地址：安徽省合肥市金寨路96號中國科學技術大學東區微尺度理化大樓16-005室
電話：0551-63603545
