我院王野&谢顺吉教授团队，在光化学甲烷选择转化制多碳烃领域取得重要进展，相关成果以“Photo-Driven Iron-Induced Non-Oxidative Coupling of Methane to Ethane”发表于《Angewandte Chemie International Edition》(DOI: 10.1002/anie.202303405)。
由于甲烷分子难于活化，甲烷选择性催化转化是化学领域的圣杯。耦合可再生光/电能，有望实现甲烷在温和条件下高效催化转化制高值化学品。甲烷无氧偶联(NOCM)可同时产生乙烷和氢气，是最重要的甲烷直接转化途径之一，但其通常需要高温反应条件，技术难度大、能耗高。光驱动的NOCM反应可实现在室温、常压下进行，但乙烷的生成速率和选择性仍不理想。
研究团队将NOCM反应的乙烷和氢气生成过程解耦，发展了光化学甲烷偶联制乙烷耦合电化学制氢的NOCM新过程，通过独特配位结构的Fe3实现甲烷选择转化，而生成的Fe2+可用于低能耗的电化学析氢，实现太阳能驱动的Fe3+/Fe2+循环和CH4转化制C2H6和H2。在优化的反应条件下，C2产物选择性可达94%，生成速率优于已报道的NOCM光化学体系。独特的水合Fe3+离子结构([Fe(H2O)5OH]2+)是保证反应活性和选择性的关键，其在光激发下可产生分子内电荷转移跃迁，使Fe3+还原成Fe2+，同时释放出羟基自由基(•OH)。后者可选择活化甲烷C−H键生成甲基自由基(•CH3)，进而经由C−C偶联生成C2H6。通过耦合阳极Fe2+氧化和阴极还原水产氢，不仅可以实现Fe3+/Fe2+循环，还可以同时获得H2，并显著降低电解制氢能耗。该工作巧妙地构建了节能、可持续的铁离子循环系统用于高选择性CH4偶联制C2H6和低能耗制氢，为设计和构建经济、高效的CH4利用和制氢体系提供了新思路。
该工作在王野教授和谢顺吉教授的指导下完成。我院2019级博士生张会珍和2020级博士生钟万福为共同第一作者。硕士生费筱禛、龚巧彬、徐沙参与了部分测试工作。我院2021级博士生孙鹏飞为理论计算提供了帮助。张庆红教授、吴雪娇博士参与了论文数据分析以及论文修改，傅钢教授在机理分析和理论计算模拟方面给予了指导。研究工作得到科技部重点研发计划项目(2022YFA1504500)、国家自然科学基金项目(22121001、22022201、22132004、92145301、92045303和2072116)、中央高校基本科研业务费专项资金(20720220008)和Flanders研究基金(12S1822N)资助。
论文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/anie.202303405
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