厦大黄小青,苏州纳米所徐勇等JACS丨创纪录!光驱动乙烷脱氢制乙烯:低温、高效、稳定运行152小时!

温和条件下实现乙烷高效转化，光催化技术迈出关键一步

近日，厦门大学、中科院苏州纳米所等单位的研究团队在JACS发表题为《蒸汽辅助光驱动乙烷脱氢实现稳定、高收率的乙烯生产》的重要论文。该研究通过设计新型Pd/ZnO-TiO₂界面催化剂，结合水蒸气辅助策略，在常温常压下实现了光驱动乙烷高效、高选择性脱氢制乙烯，并展现出长达152小时的优异稳定性，为低碳烯烃绿色合成提供了新思路。

01 文章信息

标题：Stable, High-Yield Ethylene Production from Vapor-Assisted Light-Driven Ethane Dehydrogenation期刊：Journal of the American Chemical Society作者：Huiping Peng, Yingchen Peng, Fei Xue, Yuting He, Xia Lv, Ye Yang, Xuan Huang, Yue Cheng, Nanjun Chen, Xiaoqing Huang,* Yong Xu*DOI：https://doi.org/10.1021/jacs.5c21432发表时间：2026年关键词：光催化、乙烷脱氢、乙烯、界面工程、水蒸气辅助、稳定性

02 全文速览

乙烯是化工领域最重要的基础化学品之一，传统生产依赖高温蒸汽裂解，能耗高、碳排放量大。乙烷直接脱氢制乙烯是一种理想路线，但需在>600℃下进行，易导致催化剂积碳和失活。

光催化乙烷脱氢可在温和条件下利用太阳能驱动反应，但长期以来受限于产物收率低、稳定性差。

本研究提出了一种“界面工程+水蒸气辅助”的双重策略：构建具有Ti-O-Zn界面的Pd/ZnO-TiO₂异质结催化剂，利用水蒸气提供·OH物种并抑制积碳，实现了在连续流动反应器中1640.9 μmol·h⁻¹的C₂H₄产率、98.7%的选择性以及152小时的超长稳定运行，性能远超当前报道的光催化体系。

03 文章亮点

1. 创纪录的催化性能：C₂H₄产率达1640.9 μmol·h⁻¹，是现有最好催化剂的7倍以上，选择性达98.7%。
2. 超长稳定性：在含水和空气的连续流动体系中稳定运行152小时，显著超越文献报道的<12小时水平。
3. 水蒸气双重功能机制揭示：水不仅提供·OH促进脱氢，还能原位去除积碳，实现催化剂“自清洁”。
4. 界面电荷定向分离：通过Ti-O-Zn界面设计，实现光生电子-空穴的有效空间分离，提升光利用效率。
5. 可拓展的太阳能驱动工艺：使用菲涅尔透镜聚焦太阳光也可实现反应，具备工业化应用潜力。

04 图文解析

催化剂结构设计：Ti-O-Zn界面工程

研究团队通过两步法合成Pd/ZnO-TiO₂催化剂：先水热法制备ZnO-TiO₂载体，再浸渍沉积Pd纳米团簇。核心创新在于在ZnO表面构建了保形的TiO₂覆盖层，形成原子级紧密接触的Ti-O-Zn界面（图1a）。

图1｜催化剂结构表征

• 拉曼光谱（图1b）显示Pd/ZnO-TiO₂在310和742 cm⁻¹出现特征峰，归属为Ti-O-Zn界面振动，证实界面形成。
• HAADF-STEM与EELS mapping（图1d–f）直观显示TiO₂均匀覆盖在ZnO表面，Pd团簇高度分散。
• XPS与XANES（图1g–h）表明Pd呈氧化态，电子从Pd向TiO₂转移，增强界面电荷传输。

光催化性能：产率与稳定性双突破

在连续流动光反应器中，以C₂H₆/空气/H₂O(g)=25/1/6.4为原料气，600 mW·cm⁻²光照下测试性能（图2）。

图2｜光催化乙烷脱氢性能

• Pd/ZnO-TiO₂表现出卓越性能：C₂H₄产率1640.9 μmol·h⁻¹，选择性98.7%，远超Pd/ZnO、Pd/TiO₂及物理混合样品（图2a）。
• 水蒸气关键作用：无水时反应迅速衰减，重新引入水蒸气后活性恢复，且CO₂生成增加，说明水能去除积碳（图2b）。
• 可扩展性良好：催化剂载量从2 mg增至6 mg，C₂H₄产率线性提升至273.4 mmol·g⁻¹·h⁻¹（图2c）。
• 长期稳定性测试：在152小时内保持稳定，结构未发生明显变化（图2e）。

机制研究：电荷分离与水蒸气作用

光生电荷行为：通过PL、EIS、光电流等测试（图3a–c），发现Pd/ZnO-TiO₂具有更强的电荷分离与传输能力。原位XPS与EPR（图3d–f）进一步证实光照下电子向ZnO迁移（Zn²⁺→Zn⁺），空穴向TiO₂迁移（Ti³⁺→Ti⁴⁺），实现定向分离。

图3｜光生电荷分离行为研究

反应路径与积碳抑制：

• 原位DRIFTS（图4a–b）检测到CH₃CH₂和CH₂=CH₂中间体，证实乙烷逐步脱氢路径。
• 同位素实验（图4c–e）表明水参与形成·OH，氧分子参与水的生成与积碳氧化。
• 水蒸气双重功能（图4f）：✅提供·OH，促进C₂H₆脱氢；✅氧化去除积碳，维持催化剂活性。

图4｜反应机理与积碳抑制机制

05 总结与展望

本研究成功构建了一种具有Ti-O-Zn界面的Pd/ZnO-TiO₂光催化剂，结合水蒸气辅助策略，实现了高效、高选择性、超稳定的光驱动乙烷脱氢制乙烯。系统机理研究表明，界面电荷定向分离与水蒸气的双重作用是性能突破的关键。

该工作不仅为温和条件下低碳烷烃转化提供了新催化体系，也为太阳能驱动化工过程的工业化应用提供了重要借鉴。未来可通过优化催化剂组成、反应器设计与光源利用方式，进一步提升能效与经济性。

06 通讯作者简介

徐勇，中国科学院苏州纳米所创新实验室研究员，博士生导师。长期从事功能纳米催化剂的实际与开发、新型清洁能源转化和催化原位表征方面的研究。迄今已发表论文130余篇，近五年来以一作或通讯作者在高水平学术期刊上发表SCI论文近80篇，其中包括Nature Synthesis、Science Advances、Nature Communications、Advanced Materials、Journal of the American Chemical Society、Angewandte Chemie International Edition、Advanced Materials、Energy & Environmental Science等。入选江苏省双创人才，广东省自然科学基金杰出青年基金、姑苏领军人才等计划支持。

黄小青，厦门大学教授。2005年于西南师范大学（现西南大学）获理学学士学位。2011年于厦门大学获理学博士学位，导师为郑南峰教授、郑兰荪院士。2011-2014年在美国加州大学洛杉矶分校黄昱教授、段镶锋教授课题组从事的博士后研究工作。2014年至今先后于苏州大学材料与化学化工学部、厦门大学化学化工学院担任特聘教授，博士生导师。2020年获国家杰出青年科学基金资助，课题：贵金属纳米材料合成化学。目前兼职：Science Bulletin、Rare Metal和Science China Materials客座编辑或编委。研究兴趣：贵金属纳米材料的精准制备及其电、热、光催化应用研究。

文章链接：https://doi.org/10.1021/jacs.5c21432