华东理工大学教授王灵芝团队构筑了亚2纳米钌（Ru）团簇锚定于多壁碳纳米管（MWCNTs）的非氧化物光热催化平台Ru/MWCNTs，实现了甲烷干重整反应的高效、耐久光热转化，为提升光热甲烷干重整反应的活性与稳定性提供了新的机制认识，也为设计不依赖载氧体晶格氧、通过金属–碳界面调控光激发热电子和氧循环过程的新型光热催化剂提供了重要思路。相关研究成果近日发表于《德国应用化学》。

甲烷干重整反应可同时转化甲烷（CH₄）和二氧化碳（CO₂）两种主要温室气体，并将其转化成合成气，是实现碳资源高值化利用的重要途径。然而，传统甲烷干重整通常需要750至1000°C的高温驱动，容易引发金属烧结、积碳失活和高能耗等问题。光热催化为温和条件下驱动甲烷干重整提供了新思路，而如何构筑不依赖氧化物载体晶格氧、兼具电子结构可调性和结构稳定性的光热催化平台，仍是该领域面临的关键挑战。

在研究团队构筑的Ru/MWCNTs体系中，MWCNTs提供宽谱光吸收和光热转换能力，Ru–C的π–d 界面耦合使界面电子离域化并稳定金属态Ru，从而促进光激发热电子的界面利用。该界面能够选择性活化CO₂生成高度活泼的Ru–O*物种，并在不依赖氧化物载体晶格氧的情况下维持快速可逆的Ru⁰/Ru–O氧循环。该氧循环可引导CH₄衍生中间体沿氧辅助CH₃O*路径转化，促进C–O键形成并抑制深度脱氢和碳沉积。

测试结果显示，在4.87W cm^-2光照、CH₄/CO₂=50/50条件下，Ru/MWCNTs 的表面温度可达到约597°C，一氧化碳（CO）和氢气（H₂）生成速率分别达到632 和526 mol g_Ru^?1 h^?1，光-燃料转化效率达25.4%，并可稳定运行120小时。同时，该催化剂在CH₄/CO₂进料比0.43–2.33 的宽窗口内保持稳定活性，展现出优异的耐久性和工况适应性。系列分析和理论计算证明，Ru–C界面耦合而非单纯金属态Ru是光热增强效应的关键来源。

基于Ru/MWCNTs的不依赖载氧体晶格氧的光热甲烷干重整机制。研究团队供图

相关论文信息：https://doi.org/10.1002/anie.3158178