中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)熊宇杰教授、龍冉教授研究團隊與楊金龍院士團隊付岑峰副研究員、南京大學(xué)鄒志剛院士團隊姚穎方教授合作，創(chuàng)新了光催化甲烷無氧偶聯(lián)的催化劑設(shè)計，實現(xiàn)了高選擇性制備乙烷和氫氣，效率達到中溫?zé)岽呋淄闊o氧偶聯(lián)水平。研究成果日前發(fā)表于《自然·通訊》。
甲烷是天然氣、可燃冰、沼氣等的主要成分，廣泛分布于自然界。如何將儲量巨大的甲烷資源轉(zhuǎn)化為具有更高經(jīng)濟附加值的燃料或化工產(chǎn)品，具有重要的科學(xué)意義和應(yīng)用前景。
光催化甲烷無氧偶聯(lián)方法可以在溫和條件下將甲烷直接轉(zhuǎn)化，同時獲取多碳烴類和氫氣，是一條極具吸引力的途徑。
熊宇杰介紹：“一方面，光催化甲烷無氧偶聯(lián)方法無須通過成熟的甲烷重整和費托合成的兩步間接轉(zhuǎn)化法，避免了流程復(fù)雜、能耗大、生產(chǎn)成本高的缺點；另一方面，該方法無須使用苛刻反應(yīng)條件，避免了甲烷過度氧化生成大量二氧化碳等副產(chǎn)物。”
目前常用于甲烷無氧偶聯(lián)的光催化劑，主要是金屬氧化物半導(dǎo)體材料。熊宇杰表示：“該光催化劑中的晶格氧原子，極易將甲烷過度氧化，所以依然會產(chǎn)生部分一氧化碳、二氧化碳等副產(chǎn)物，并導(dǎo)致催化劑完全失活。”
為解決該問題，熊宇杰和龍冉團隊提出通過單原子配位負載的方法來調(diào)控光催化劑的價帶電子結(jié)構(gòu)，形成了極為穩(wěn)定的單原子和晶格氧的配位結(jié)構(gòu)，避免晶格氧原子直接參與光催化甲烷無氧偶聯(lián)反應(yīng)，從而在提高光催化甲烷無氧偶聯(lián)性能的同時，降低甲烷的過度氧化程度。
基于該策略，研究團隊實現(xiàn)了每克催化劑每天產(chǎn)生0.7克乙烷，其選擇性達到94.3%，同時還能產(chǎn)生同比例的氫氣。研究人員進一步通過元素摻雜的方法，提高了催化劑中晶格氧的穩(wěn)定性，進而延長催化性能的穩(wěn)定性，為發(fā)展高效光催化甲烷無氧偶聯(lián)催化劑提供了新的思路。
審稿人認為：“該工作使得以光催化路徑將甲烷轉(zhuǎn)化為乙烷成為可能，展示了單原子催化劑的魅力。”