Angew | 廈門大學化學化工學院甲烷光催化轉化制多碳烴取得新進展

導讀

廈門大學化學化工學院謝順吉教授、吳雪嬌教授和王野教授團隊，在甲烷光催化選擇轉化制多碳烴領域取得重要進展，相關成果以“Asymmetric Vacancies Efficiently Couple O2Activation with Reactive Oxygen Species Evolutionfor Enhanced Photocatalytic Methane Conversion”為題發表于《Angewandte Chemie International Edition》(DOI:10.1002/anie.7358043)。

選擇氧化是工業催化的基石，但目前仍高度依賴高溫、高壓等高能耗工藝。光催化氧化通過活性氧物種（ROS）介導，為溫和條件下的高效轉化提供了重要途徑。氧空位工程是提升光催化氧化效率的關鍵策略。然而，傳統氧空位在增強O2活化的同時，往往因吸附過強而阻礙ROS的釋放以及后續反應，從而限制催化性能。如何打破這一瓶頸，是光催化氧化領域長期面臨的挑戰。

研究團隊發現ZnGa2O4尖晶石中的不對稱氧空位結構（ZnTd–Ov–GaOh）能夠有效打破傳統對稱氧空位“增強活化卻抑制釋放”的固有矛盾：Ga位點驅動O2吸附與活化，Zn位點則促進ROS生成與空位再生。Ag/ZnGa2O4在光催化甲烷氧化偶聯（OCM）反應中表現優異，CH4轉化速率達2613 μmol g?1 h?1，C2+產物選擇性達86%，轉化數超4000，為Ag基催化劑迄今最高報道值。機理研究表明，不對稱氧空位可高效促進O2活化及?O2?的生成與釋放，進而選擇氧化CH4生成?CH3；?CH3在Ag位點上進一步偶聯生成C2H6。該不對稱氧空位結構的有效性在多個重要光催化氧化還原反應中得到驗證：在光催化氧還原生產H2O2反應中，ZnGa2O4的H2O2生成速率達85 mmol g?1 h?1，為同類條件下迄今最高報道值之一；在苯甲醇氧化偶聯反應中，ZnGa2O4能高效驅動苯甲醇定向轉化為氫化安息香等偶聯產物，選擇性高達94%。該工作提出的不對稱氧空位策略，可精準調控O2活化與ROS生成動力學，為高效光催化選擇氧化開辟了新路徑。

該工作在謝順吉教授、吳雪嬌教授和王野教授的指導下完成。我院張會珍博士(現福州大學化學學院副教授)和2023級碩士生王思憶為共同第一作者。我院張慶紅教授參與了論文數據分析以及論文修改。博士生劉昊洋參與了催化劑表征及分析。研究工作得到國家科技部重點研發計劃項目(2022YFA1504500)、國家自然科學基金項目(22121001、22402066、22472135、U24A20490、U23A2087)、中央高校基本科研業務費專項資金(20720250005、20720240123、20720240121)和福建省自然科學基金(2024J08356、2025I0001、2024J011005)資助。

論文鏈接：https://doi.org/10.1002/anie.7358043

來源：廈門大學