福建物构所谢奎Nat. Commun. 热电耦合催化CH4/CO2制烯烃新途径

低碳烯烃是重要的化学品或中间体，主要来源于石脑油裂解等石化过程。以成本相对低廉储量相对丰富的天然气(主成分是CH₄)替代石油生产基础化学品，是当前学术界和产业界研究开发的重要方向。

CH₄非常稳定，通常以催化剂表界面活性氧物种实现对CH₄的活化与氧化，但易将CH₄及其产物过氧化而降低原子利用率。CO₂作为氧源在较高温度亦可将CH₄转化为低碳烯烃，但催化剂失活是尚未解决的关键难点。

中科院功能纳米结构设计与组装重点实验室谢奎课题组，在国家重点研发计划、国家基金重大研究计划、中科院洁净能源创新院联合基金和福建省百人计划等项目资助下，发展出热电耦合催化CH₄/CO₂制烯烃的新途径。

如图所示，CO₂作为氧源在阴极活化还原为CO，氧离子则通过电解质传输至阳极以界面活性氧的形式对CH₄活化并耦合气相偶联实现CH₄向烯烃的转化。外场环境和界面催化的协同调变避免了CH₄及其产物过度氧化。这一过程不仅实现了CH₄向低碳烯烃转化，也实现了CO₂还原与高值利用，是“一举两得”的极具潜力的新途径。　　

该工作通过对Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-δ(SFMO)掺杂并在表面铆合生长纳米铁构筑金属–氧化物界面体系，以增强对CH₄的活化和纳米金属稳定性以及抗积碳性能。

协同调控金属–氧化物界面长度和外电场实现陶瓷电极对CH₄氧化性能的调变。常压下实现了16.7%的C₂产物浓度，CH₄转化率可达41%，运行100小时无衰减。相关研究结果发表于 Nature Communications 。

Zhu C, Hou S, Hu X, et al. Electrochemical conversion of methane to ethylene in a solid oxide electrolyzer[J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 1173.

该课题组此前开展了新型界面体系、电解CO₂制CO和电解CO₂耦合CH₄氧化制合成气(Science Advances,2018,4,eaar5100；Nature Communications,2017,8:14785)的研究工作。并针对小分子活化转化的活性位点，将不饱和配位局域结构长程有序化构筑了多孔单晶体系，研究配位不饱和度和局域电子态等对特定小分子活化转化的机制(Advanced Mateirals,2018,1806552；Materials Horizons,2018,5,953-960；Nature Communications,2017,8,2178)。