近日，中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所研究員章福祥團隊聯(lián)合清華大學(xué)教授唐軍旺團隊，設(shè)計合成Ni1-CeO2單原子光催化劑，實現(xiàn)室溫下甲烷高活性、高選擇性地制備乙烷，并發(fā)現(xiàn)甲烷覆蓋度與C-C鍵偶聯(lián)制乙烷的選擇性之間存在明顯正向依賴關(guān)系。
甲烷是天然氣的主要成分，將其轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品意義重大，但傳統(tǒng)的干/濕重整及費托合成需在700℃以上高溫下進行。光催化技術(shù)能夠在室溫下活化惰性分子，卻難以兼顧高效C-H鍵活化與抑制過度氧化生成CO2。助催化劑修飾是光催化甲烷轉(zhuǎn)化的常用策略，其既能夠促進電荷轉(zhuǎn)移和抑制載流子復(fù)合，又可以調(diào)節(jié)活性位點促進化學(xué)吸附活化。其中，Au、Pd等貴金屬助催化劑可顯著提升乙烷選擇性，但該效應(yīng)僅局限于一些紫外響應(yīng)的光催化材料。
該研究基于Lewis酸性載體利于CH4吸附的啟發(fā)，結(jié)合DFT計算對3d單原子金屬助催化劑進行篩選，制備出具有可見光響應(yīng)的單原子鎳修飾氧化鈰催化劑，實現(xiàn)了甲烷高效轉(zhuǎn)化制備乙烷。研究發(fā)現(xiàn)，負載的單原子Ni助催化劑可高效促進光生電荷分離，CeO2光催化劑表面酸性利于CH4吸附，且甲烷的覆蓋度與C-C偶聯(lián)生成乙烷的選擇性呈現(xiàn)正相關(guān)。研究設(shè)計合成了高效Ni1-CeO2催化劑，其在室溫下連續(xù)350小時測試中可實現(xiàn)乙烷產(chǎn)率243μmol·g-1·h-1以及約90%選擇性，優(yōu)于已報道的非貴金屬光催化劑體系。
相關(guān)研究成果發(fā)表在《美國化學(xué)會志》（JACS）上。研究工作得到國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金、中國博士后科學(xué)基金、中國科學(xué)院相關(guān)項目等的支持。
