Angew | 厦门大学化学化工学院甲烷光催化转化制多碳烃取得新进展

导读

厦门大学化学化工学院谢顺吉教授、吴雪娇教授和王野教授团队，在甲烷光催化选择转化制多碳烃领域取得重要进展，相关成果以“Asymmetric Vacancies Efficiently Couple O2Activation with Reactive Oxygen Species Evolutionfor Enhanced Photocatalytic Methane Conversion”为题发表于《Angewandte Chemie International Edition》(DOI:10.1002/anie.7358043)。

选择氧化是工业催化的基石，但目前仍高度依赖高温、高压等高能耗工艺。光催化氧化通过活性氧物种（ROS）介导，为温和条件下的高效转化提供了重要途径。氧空位工程是提升光催化氧化效率的关键策略。然而，传统氧空位在增强O2活化的同时，往往因吸附过强而阻碍ROS的释放以及后续反应，从而限制催化性能。如何打破这一瓶颈，是光催化氧化领域长期面临的挑战。

研究团队发现ZnGa2O4尖晶石中的不对称氧空位结构（ZnTd–Ov–GaOh）能够有效打破传统对称氧空位“增强活化却抑制释放”的固有矛盾：Ga位点驱动O2吸附与活化，Zn位点则促进ROS生成与空位再生。Ag/ZnGa2O4在光催化甲烷氧化偶联（OCM）反应中表现优异，CH4转化速率达2613 μmol g−1 h−1，C2+产物选择性达86%，转化数超4000，为Ag基催化剂迄今最高报道值。机理研究表明，不对称氧空位可高效促进O2活化及•O2−的生成与释放，进而选择氧化CH4生成•CH3；•CH3在Ag位点上进一步偶联生成C2H6。该不对称氧空位结构的有效性在多个重要光催化氧化还原反应中得到验证：在光催化氧还原生产H2O2反应中，ZnGa2O4的H2O2生成速率达85 mmol g−1 h−1，为同类条件下迄今最高报道值之一；在苯甲醇氧化偶联反应中，ZnGa2O4能高效驱动苯甲醇定向转化为氢化安息香等偶联产物，选择性高达94%。该工作提出的不对称氧空位策略，可精准调控O2活化与ROS生成动力学，为高效光催化选择氧化开辟了新路径。

该工作在谢顺吉教授、吴雪娇教授和王野教授的指导下完成。我院张会珍博士(现福州大学化学学院副教授)和2023级硕士生王思忆为共同第一作者。我院张庆红教授参与了论文数据分析以及论文修改。博士生刘昊洋参与了催化剂表征及分析。研究工作得到国家科技部重点研发计划项目(2022YFA1504500)、国家自然科学基金项目(22121001、22402066、22472135、U24A20490、U23A2087)、中央高校基本科研业务费专项资金(20720250005、20720240123、20720240121)和福建省自然科学基金(2024J08356、2025I0001、2024J011005)资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/anie.7358043

来源：厦门大学