近日，中国科学院大连化学物理研究所研究员章福祥团队联合清华大学教授唐军旺团队，设计合成了Ni1-CeO2单原子光催化剂，实现室温下甲烷高活性、高选择性地制备乙烷，并发现甲烷覆盖度与C-C键偶联制乙烷的选择性之间存在明显正向依赖关系。相关成果发表在《美国化学会志》上。
甲烷是天然气的主要成分，将其转化为高附加值化学品意义重大，但传统的干/湿重整及费托合成需在700℃以上高温下进行。光催化技术能够在室温下活化惰性分子，却难以兼顾高效C-H键活化与抑制过度氧化生成二氧化碳。助催化剂修饰是光催化甲烷转化的常用策略，其既能促进电荷转移和抑制载流子复合，又可调节活性位点促进化学吸附活化。其中，Au、Pd等贵金属助催化剂已报道可显著提升乙烷选择性，但该效应仅局限于一些紫外响应的光催化材料。
本工作中，科研人员结合DFT计算对3d单原子金属助催化剂进行了筛选，进而制备了具有可见光响应的单原子镍修饰氧化铈催化剂（Ni1-CeO2），实现了甲烷高效转化制备乙烷。研究发现，负载的单原子Ni助催化剂可高效促进光生电荷分离，CeO2光催化剂表面酸性有利于CH4吸附，且甲烷的覆盖度与C-C偶联生成乙烷的选择性呈现正相关。
科研人员设计合成高效Ni1-CeO2催化剂，其在室温下连续350小时测试中可实现乙烷产率243μmol·g-1·h-1，以及约90%选择性，优于已报道的非贵金属光催化剂体系。
相关论文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c04676