第一作者：Zexun Hu

通訊作者：謝毅，孫永福

通訊單位：中國科學技術大學

謝毅，無機化學家、中國科學院院士、發展中國家科學院院士，中國科學技術大學化學與材料科學學院教授 ，合肥微尺度物質科學國家實驗室教授，安徽省科協副主席（兼職），中國科學技術大學化學與材料科學學院學術委員會主任。

孫永福，承擔基金委杰出青年基金、基金委面上項目、基金委聯合基金、基金委優秀青年基金和國家重點研發計劃“納米科技”重點專項項目等；入選安徽省首屆優秀青年科技人才(2022)、英國皇家化學會會士(2019)、中科院青促會優秀會員(2019)、教育部青年長江學者(2016)和新世紀優秀人才支持計劃(2013)等。

論文速覽

光催化乙烷（C₂H₆）轉化為乙烯（C₂H₄）非常具有前景，但由于420 kJ mol^-1的高C-H鍵離解能，還是一個長期的挑戰。本論文提出了一種在溫和條件下，利用部分氧化的Pd^δ+物種錨定在ZnO納米片上，實現高選擇性和高效率的C₂H₆至C₂H₄的光脫氫轉化。通過電子相互作用削弱C-H鍵，實現了高效率的光催化反應。

研究團隊使用X射線光電子能譜、Bader電荷計算和電子局域函數等表征，證實了部分氧化的Pd^δ+位點的存在，并發現這些位點在C₂H₆脫氫過程中首先捕獲光激發電子，再促進反應。通過原位電子順磁共振譜、原位傅里葉變換紅外光譜和捕獲劑實驗，驗證了C₂H₆首先轉化為CH₃CH₂OH，然后脫水生成CH₃CH₂·中間體，最終生成C₂H₄和H₂。

密度泛函理論（DFT）計算表明，Pd位點的負載有利于C-H鍵的斷裂，降低了能壘至0.04 eV。優化后的5.87% Pd-ZnO納米片在4 h內實現了16.32 mmol g^-1的高C₂H₄產率和94.83%的選擇性，以及14.49 mmol g^-1的H₂產率，優于之前所有類似條件下報道的光催化劑。

圖文導讀

圖1：5.87% Pd-ZnO納米片的透射電子顯微鏡（TEM）圖像、高分辨TEM圖像和相應的放大高分辨TEM圖像，以及Pd 3d和Zn 2p的XPS光譜。

圖2：乙烷脫氫反應的光催化性能。

圖3：光催化乙烷脫氫反應機理研究。

圖4：在Pd-ZnO納米片板上光催化乙烷脫氫的自由能圖。

總結展望

本研究成功設計了一種新型的光催化劑，通過在ZnO納米片上錨定部分氧化的Pd^δ+物種，實現了在溫和條件下對C₂H₆至C₂H₄的高選擇性光脫氫。該催化劑表現出優異的光催化活性和穩定性，為烷烴的高價值轉化提供了新的途徑。

本工作不僅為光催化脫氫反應提供了深入的理解，也為開發新型高效的光催化劑提供了重要的指導。未來，通過進一步優化催化劑的結構和組成，有望實現更加高效和選擇性的光催化反應。

文獻信息

標題：High-Rate and Selective C₂H₆?to?C₂H₄ Photodehydrogenation Enabled by Partially Oxidized Pd^δ+ Species Anchored on ZnO Nanosheets under Mild Conditions

期刊：Journal of the American Chemical Society

DOI：10.1021/jacs.4c02827