大连化物所开发表面富羟基光催化剂实现甲烷转化乙烷的高选择性调控

　　近日，我所太阳能研究部太阳能制储氢材料与催化研究组（DNL1621组）章福祥研究员团队设计合成了一种富羟基修饰光催化剂（R-MnOx/CeO2），实现了甲烷转化为乙烷反应的高活性、高选择性调控。研究发现，助催化剂表面羟基富集可增强甲烷的化学吸附、降低乙烷生成能垒、抑制二氧化碳形成，是提升光催化甲烷活化及C-C制乙烷性能的关键性因素。

　　甲烷作为天然气的主要成分，其向高附加值化学品的高效转化在能源利用与碳资源升级方面具有重要应用前景。光催化技术凭借其在常温下活化惰性C-H键的能力，为温和条件下高效转化甲烷提供了可行方案。尽管近年来光催化甲烷转化取得一定进展，其整体效率仍受限于三个关键问题：C-H键活化困难、产物易深度氧化为CO2、相关反应机制尚不清晰。

　　引入助催化剂可有效提升反应活性与选择性。然而，传统助催化剂修饰大多数聚焦于其化学组成、形貌及其与光催化剂界面接触等因素，对助催化剂表面的微观结构环境影响研究相对偏少，缺乏深层次的微观结构影响机制认识。

　　本工作中，科研人员围绕CeO2光催化剂表面不同助催化剂精细结构调控及其对光催化甲烷吸附活化转化开展系统研究。研究发现，提升助催化剂表面羟基浓度有利于甲烷的化学吸附活化、降低乙烷生成能垒、抑制过度氧化成二氧化碳，是促进甲烷活化实现C-C高效耦合的关键性因素。基于此，科研人员开发了富羟基修饰光催化剂R-MnOx/CeO2，实现了可见光催化甲烷制乙烷产率达到187 μmol·g-1·h-1，选择性达到97%，且催化剂可稳定运行200小时以上。

　　相关工作以“Hydroxyl-Promoted C-C Coupling for Selective Methane Conversion into Ethane on Cerium Oxide Photocatalyst”为题，发表在《德国应用化学》（Angewandte Chemie International Edition）上。该成果的共同第一作者是我所DNL1621组助理研究员罗磊和博士后王融。该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金、北京光源、中国博士后科学基金、中国科学院特别研究助理项目、我所优秀博士后等项目的资助。（文/图 罗磊）