乙烯是化學工業中最重要的化學品之一。近年來，隨著富含輕質烷烴的頁巖氣儲量增加，乙烷脫氫制乙烯成為新的研究前沿。中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所研究員徐勇團隊在光驅動乙烷脫氫制乙烯方面取得進展，開發了一種Pd/ZnO-TiO?催化劑，其TiO?覆蓋層可最大化界面面積以實現定向電荷分離。近日，相關研究成果發表于《美國化學會雜志》。
理論上，乙烷脫氫制乙烯可通過選擇性活化乙烷的兩個C-H鍵實現，但由于乙烷C-H鍵鍵能較高，傳統脫氫過程需在高溫（>600°C）下進行，導致能耗高、積碳嚴重及催化劑燒結等問題。因此，開發溫和條件下可持續的乙烷脫氫制乙烯策略具有重要意義。
光催化為太陽能向化學能的可持續溫和轉化提供了極具吸引力的策略。在此背景下，光驅動乙烷脫氫（LDEDH）在化工領域引起廣泛關注，但乙烷C-H鍵的高鍵能使其面臨巨大挑戰。LDEDH的主要瓶頸在于光生載流子遷移的動力學限制及其復合，此外，光誘導氧化物種可能導致過度氧化，實現目標產物的選擇性轉化仍面臨重大挑戰。
為提升LDEDH的光催化性能和選擇性，需精準設計催化劑結構以增強光吸收和電子-空穴對分離，并抑制乙烷過度氧化為CO?。迄今為止，研究人員已開發多種用于光催化烷烴轉化的催化體系，但仍需系統研究催化劑的合理設計，以同時實現LDEDH過程中的高效電荷分離、高選擇性和長期穩定性。
該研究團隊發現蒸汽具有雙重作用：作為選擇性脫氫的·OH源，同時持續去除積碳以實現前所未有的152小時穩定性。詳細表征證實，Ti-O-Zn界面引導光生電子至ZnO、空穴至TiO?，Pd納米簇進一步增強電子轉移和乙烷吸附。這種協同設計實現了1640.9 μmol h-1（273.4 mmol/g/h）的創紀錄乙烯產率，選擇性達98.7%，超過現有催化劑7倍以上。
值得一提的是，通過菲涅爾聚光透鏡利用自然陽光照射間歇式反應器也可實現LDEDH，為利用自然太陽能生產乙烯提供了可行策略。
相關論文信息：https://doi.org/10.1021/jacs.5c21432