大連化物所開發表面富羥基光催化劑實現甲烷轉化乙烷的高選擇性調控

　　近日，我所太陽能研究部太陽能制儲氫材料與催化研究組（DNL1621組）章福祥研究員團隊設計合成了一種富羥基修飾光催化劑（R-MnOx/CeO2），實現了甲烷轉化為乙烷反應的高活性、高選擇性調控。研究發現，助催化劑表面羥基富集可增強甲烷的化學吸附、降低乙烷生成能壘、抑制二氧化碳形成，是提升光催化甲烷活化及C-C制乙烷性能的關鍵性因素。

　　甲烷作為天然氣的主要成分，其向高附加值化學品的高效轉化在能源利用與碳資源升級方面具有重要應用前景。光催化技術憑借其在常溫下活化惰性C-H鍵的能力，為溫和條件下高效轉化甲烷提供了可行方案。盡管近年來光催化甲烷轉化取得一定進展，其整體效率仍受限于三個關鍵問題：C-H鍵活化困難、產物易深度氧化為CO2、相關反應機制尚不清晰。

　　引入助催化劑可有效提升反應活性與選擇性。然而，傳統助催化劑修飾大多數聚焦于其化學組成、形貌及其與光催化劑界面接觸等因素，對助催化劑表面的微觀結構環境影響研究相對偏少，缺乏深層次的微觀結構影響機制認識。

　　本工作中，科研人員圍繞CeO2光催化劑表面不同助催化劑精細結構調控及其對光催化甲烷吸附活化轉化開展系統研究。研究發現，提升助催化劑表面羥基濃度有利于甲烷的化學吸附活化、降低乙烷生成能壘、抑制過度氧化成二氧化碳，是促進甲烷活化實現C-C高效耦合的關鍵性因素。基于此，科研人員開發了富羥基修飾光催化劑R-MnOx/CeO2，實現了可見光催化甲烷制乙烷產率達到187 μmol·g-1·h-1，選擇性達到97%，且催化劑可穩定運行200小時以上。

　　相關工作以“Hydroxyl-Promoted C-C Coupling for Selective Methane Conversion into Ethane on Cerium Oxide Photocatalyst”為題，發表在《德國應用化學》（Angewandte Chemie International Edition）上。該成果的共同第一作者是我所DNL1621組助理研究員羅磊和博士后王融。該研究得到了國家重點研發計劃、國家自然科學基金、北京光源、中國博士后科學基金、中國科學院特別研究助理項目、我所優秀博士后等項目的資助。（文/圖 羅磊）