近日，我院低碳能源催化中心团队采用光电化学、原位EPR/XPS、程序升温脱附/还原及同位素标记等表征手段，实现了对{101}晶面暴露TiO₂表面Pd单原子协同Pd团簇促进甲烷无氧偶联反应机制的系统解析。

甲烷（CH₄）储量丰富、价格低廉，但目前工业化利用仍依赖高温蒸汽重整耦合费托合成等高能耗多步工艺，投资成本高、CO₂排放量大且易积碳。光催化甲烷偶联为温和条件下的甲烷直接转化提供了新思路，主要分为氧化偶联（OCM）与无氧偶联（NOCM）两条路线：OCM热力学更有利、C₂产率更高，但过度氧化生成CO₂的问题难以避免；NOCM仅以CH₄为反应物，理论原子利用率达100%，选择性天然更优，但反应热力学不利（ΔG = +68.6 kJ/mol），产率长期偏低。能有效活化C–H键的光催化剂通常为TiO₂等金属氧化物，但其晶格氧（O_L）易参与反应，造成产物过度氧化并损伤结构。如何兼顾高活性、高选择性与高稳定性，是光催化NOCM面临的核心难题。

针对上述问题，本研究报道了一种{101}晶面暴露、表面修饰Pd单原子与Pd团簇的TiO₂光催化剂，实现了室温、流动反应器中高效稳定的甲烷无氧偶联。催化剂以CH₄为唯一反应物，在365 nm光照下C₂H₆产率高达600 μmol·h^-1·g^-1，选择性接近100%，并伴随化学计量比的H₂生成；连续运行30小时性能几乎无衰减，最长可稳定运行50小时，整体性能大幅超越同类NOCM光催化体系，并可与部分高温热催化体系相媲美。研究表明，{101}晶面与Pd单原子/团簇的协同作用可有效促进电荷分离、抑制晶格氧过度参与反应，从而兼顾了甲烷无氧偶联反应的高活性、高选择性与高稳定性，为设计高性能甲烷转化光催化剂提供了普适思路。

研究成果以“Synergy of Pd Clusters and TiO₂{101} for Photocatalytic Nonoxidative Coupling of Methane”为题，发表在《Advanced Science》上，我院新进博士杨健龙为该工作的第一作者。该研究得到了能源陕西实验室科技项目（ESLB202407）等项目的资助。

论文链接：https://doi.org/10.1002/advs.202524322