文献快讯：JACS 太阳能驱动甲烷转化: 15.3%光化学效率与150小时稳定性

【成果掠影 & 研究背景】

甲烷干法重整（DRM）利用CO₂和CH₄两种温室气体生产合成气（CO+H₂），是实现碳中和的重要途径。然而，传统热催化DRM需高温（>700℃）运行，能耗高且易导致催化剂积碳和烧结失活。晶格氧（LO）介导的Mars-van Krevelen机制为低温高效DRM提供了可能，但激活LO活性仍是挑战。
本研究通过在钙钛矿LaFeO₃的Fe位点掺杂Mn并负载Ru纳米颗粒，开发出Ru/LaMnFeO催化剂。Mn掺杂引发La→Mn的电荷转移，结合光激发电子重构钙钛矿电子结构，削弱La-O-Mn键并促进LO迁移。光生空穴富集于LO增强其反应活性，协同Ru位点高效裂解CH₄并抑制积碳。在模拟太阳光下，催化剂展现出优异性能：H₂和CO产率分别为42.89和54.92 mol g⁻¹ h⁻¹，甲烷转化频率（TOF）达0.9 s⁻¹，光化学能效（LTCEE）为15.3%，并稳定运行150小时。该研究为设计高效光热催化体系提供了新思路。

【创新点 & 图文摘要】

创新点：

1. 1)Mn掺杂诱导La→Mn电荷转移，结合光激发电子重构钙钛矿电子结构，弱化La-O-Mn键并促进LO迁移。
2. 2)光生空穴富集于LO提升其氧化活性，协同Ru位点实现CH₃*中间体高效氧化，抑制积碳生成。
3. 3)Ru纳米颗粒的高电子密度促进H*还原为H₂，原位氧空穴（OV）促进CO₂裂解并再生LO。
4. 4)光热协同机制突破热力学平衡限制，在550℃实现51.5% CH₄转化率，远超纯热催化效率。
5. 5)通过精确调控LO活性和反应路径，实现低温高效DRM与超长稳定性（>150 h）。

图1：Mn掺杂对LaFeO₃晶体结构的影响及元素分布表征

图2：Ru/LaMnFeO催化剂的形貌与结构分析

图3：光热与热催化DRM性能对比及稳定性测试

图4：原位XPS和XAS揭示光诱导电荷转移机制

图5：原位DRIFTS光谱与反应路径DFT计算

图6：光热DRM反应机理示意图

【总结 & 原文链接】

本研究通过Mn掺杂与Ru修饰协同调控钙钛矿LaFeO₃的LO活性，实现了高效稳定的光热DRM反应。Mn掺杂触发La→Mn电荷转移，结合光激发电子促进LO迁移；光生空穴增强LO氧化能力，协同Ru位点抑制积碳并提升H₂选择性。该催化剂在低温下突破热力学限制，展现出创纪录的产率和能量效率，为太阳能驱动的氧化还原反应提供了新的材料设计策略。这一成果不仅深化了对LO介导反应机制的理解，也为开发碳中和相关技术开辟了道路。

原文链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c03098

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