近日，我院低碳能源催化中心在甲烷转化研究方面取得新进展。团队实现了无氧条件下的甲烷高效转化，乙烷的选择性接近100%，产率为74 μmol/g/h。相关成果以“Selective Synthesis of Ethane from Methane by a Photocatalytic Chemical Cycle Process”为题，于今日发表在《Advanced Energy Materials》上。

本研究将化学循环过程与流动反应器耦合，利用Co_0.2Pd_1.8-TiO₂作为催化剂，在温和和无氧的条件下实现了连续、高效和高选择性的CH₄转化。在室温下，Co_0.2Pd_1.8-TiO₂催化剂实现了接近100%选择性的CH₄转化为C₂H₆，C₂H₆产率为74 µmol·g⁻¹·h⁻¹。研究表明，PdO_L纳米团簇和Co单原子负载在TiO₂上协同促进了光生载流子的分离转移，并直接参与反应，提高了反应的选择性。其中，PdO_L作为光生空穴的转移载体，并直接参与甲烷C-H键断键反应。同时，PdO_L中的O_L被CH₄氧化，生成·CH₃和·OH。·CH₃的在气相中自发偶联生产C₂H₆。光生电子被Co单原子吸引，用于还原·OH和H⁺生成H₂O。在催化剂再生的后续步骤中，PdO_L中消耗的O_L在光照射下由空气补充，从而在43次循环测试中表现出很高的稳定性。综上，该研究提出了一种利用化学循环调节反应中间体和产物的新策略，实现了CH₄高效、高选择性地转化为增值产物，为构建具有多功能位点的先进催化剂开辟了一条新的途径，以克服光催化中的电荷重组问题。此外，该工艺避免了将可燃气体CH₄与O₂混合用于化学品生产，提高了这一重要化学反应的工艺安全性。

文章链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/aenm.202404202