近日，化学化工学院谢顺吉教授、傅钢教授和王野教授等在光催化甲烷无氧偶联制多碳烃领域取得重要进展，相关成果以“Unusual facet and co-catalyst effects in TiO₂-based photocatalytic coupling of methane”为题发表于Nature Communications (DOI:10.1038/s41467-024-48866-1)。

在温和条件下实现甲烷高效、高选择性转化极具挑战性，被公认为是化学研究领域的“圣杯”。甲烷通过无氧偶联反应可同时产生乙烷和氢气，是最重要的甲烷直接转化途径之一，但通常需要在高温(> 650 ℃)等苛刻反应条件下进行，技术难度大、能耗高。光催化甲烷无氧偶联反应虽然可在室温、常压条件下进行，但目前乙烷的生成速率和选择性仍不理想。发展有效的光催化剂设计和构筑策略是提升甲烷无氧偶联反应效率的关键。

本研究系统考察了高比例暴露{001}、{100}、{101}晶面的三种Pd/TiO₂纳米晶催化剂，并发现通常具有较低光催化活性的稳定{101}晶面表现出比高能极性{001}晶面更显著的光催化甲烷转化活性及C₂产物选择性。机理研究表明，这一不同寻常的TiO₂晶面效应源于TiO₂-{101}晶面可高效氧化水生成•OH，进而通过吸附态•OH与水分子发生氢转移反应过程形成液相•OH，在液相中选择性氧化甲烷生成•CH₃，避免了吸附态•OH对甲烷的过度氧化。•CH₃则进一步在Pd²⁺位点上吸附、偶联生成C₂H₆。经反应条件优化，在Pd/TiO₂-{101}催化剂上甲烷转化速率达326 μmol g⁻¹h⁻¹，且C₂产物选择性达81%。该工作通过反应空间分离来调控固-液界面的多相-均相反应过程，实现了高效的甲烷光催化选择性偶联转化，为纳米光催化剂的理性设计和构筑提供了一种新策略。

该工作在谢顺吉教授、傅钢教授和王野教授的指导下完成。化学化工学院张会珍博士（现嘉庚创新实验室博士后）和2021级博士生孙鹏飞为共同第一作者。张庆红教授、吴雪娇副教授参与了论文数据分析以及论文修改。硕士生费筱禛、龚巧彬参与了部分测试工作。郑燕萍工程师及博士生黄宗益、钟万福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、国家自然科学基金项目和中央高校基本科研业务费的资助。

论文链接：https://www.nature.com/articles/s41467-024-48866-1

（化学化工学院）