近日，中国科学技术大学环境科学与工程系在光驱动甲烷高活性、高选择性、高稳定性的有氧偶联转化领域取得新进展，相关研究成果以“Highly efficient, selective, and stable photocatalytic methane coupling to ethane enabled by lattice oxygen looping”为题发表于Science Advances（2024, 10, eado4390）。

光催化甲烷氧化偶联（OCM）制备高附加值化学品是缓解能源问题的有效途径。但是甲烷氧化偶联往往需要十分苛刻的反应条件，主要是由于反应势垒高。相比于甲烷无氧偶联来说，甲烷有氧偶联具有更低的反应势垒，但是依旧存在着产物选择性较差，反应速率慢等问题。

为解决稳定性、选择性以及反应活性等问题，本研究工作设计合成出了一种双位点的催化剂Au/BiO_x-TiO₂，利用Au和BiO_x的协同作用实现了CH₄中C-H活化与·CH₃偶联分别在双位点进行，防止了CH₄在单一位点的过度氧化，大大提高了C₂₊产物的选择性。利用晶格氧活化介导（Mars-Van Krevelen）机制，可以有效地提高C-H活化速率，同时在反应体系中引入适当的氧气，通过氧循环路径可以有效地提高材料的稳定性，在自主设计的流动相反应器中，实现了20.8 mmol g⁻¹ h⁻¹的CH₄转化速率以及9.6 mmol g⁻¹ h⁻¹的C₂H₆产率，产物选择性超过97%，稳定性长达50 h。该研究工作为实现高效光催化甲烷有氧偶联提供了一种简单有效的催化剂设计思路和机理探究途径。

图  晶格氧活化介导的甲烷氧化偶联反应路径示意图

该项研究得到了国家自然科学基金等项目的支持，同时得到中国科大国家同步辐射实验室、理化科学实验中心以及微纳研究与制造中心的支持。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.ado4390