我院张子重课题组联合中科院物构所严亮亮/曹荣课题组和延安大学付峰课题组在光催化甲烷碳碳偶联转化领域取得新进展

2026年5月12日，我院张子重教授联合中国科学院物质结构研究所严亮亮研究员、曹荣研究员团队以及延安大学付峰教授团队，在《Angewandte Chemie International Edition》上在线发表了题为“Direct Photocatalytic Conversion of Methane to Acetone Through a Synergistic Ta Single-Atom/Ga Lewis Acid Catalyst”的研究论文。该工作报道了Ta单原子锚定Ga₂O₃量子点光催化剂，首次实现了甲烷一步光催化转化制丙酮。

甲烷（CH₄）作为天然气的主要成分，其直接转化为高值化学品被公认为催化领域的“圣杯”反应之一，光催化利用H₂O将甲烷直接合成含氧化合物，具有重大的科学意义。但是目前光催化甲烷转化的绝大多数反应体系仍局限于生成C₁产物（如CH₃OH、HCHO）或C₂产物（如CH₃COOH、C₂H₅OH）产物，C₃及以上含氧化合物（例如丙酮）的直接合成几乎未见报道。该反应面临多重障碍：（1）热力学上高度不利（ΔG = 235.8 kJ/mol）；（2）需同时活化3个CH₄，断裂6个C–H键（热力学阻力大）、经历两次C–C偶联（动力学能垒高）、并消耗8个光生空穴；（3）关键中间体（如乙酰基）在常规金属位点（如Pt、Rh、Pd）上倾向于碳端吸附（η¹(C)-CH₃CO），空间位阻大，严重阻碍第二次C–C偶联。

本论文报道了一种Ga₂O₃量子点光催化剂，在其Ga_IV空位上锚定了高密度的Ta单原子，形成了协同的Ta单原子/Ga路易斯酸结构。具有d⁰电子构型的Ta单原子以独特的氧端吸附构型（η¹(O)-CH₃CO）吸附乙酰基中间体，最大限度地减少了C₂中间体的空间位阻，同时增强了羰基碳的亲电性，从而极大地促进了第二步C-C偶联反应。同时，Ga位点富集了-CH₃中间体，为偶联提供充足的中间体。该催化剂在常温常压下实现了CH₄ + H₂O → CH₃COCH₃的一步光催化转化，丙酮产率达86.7 μmol·g⁻¹·h⁻¹，碳选择性56.2%，液相选择性81.2%，254 nm处表观量子效率（AQY）高达20.7%，且无需任何贵金属。这是首例无需额外碳源、直接通过光催化将甲烷转化为丙酮的研究报道，为突破甲烷转化中的“碳数壁垒”提供了全新策略。

上述研究得到了国家自然科学基金、福建省自然科学基金以及福州大学的大力支持。福州大学博士生张江杰为论文第一作者；福州大学张子重教授、中国科学院物质结构研究所严亮亮研究员，曹荣研究员以及延安大学付峰教授为论文共同通讯作者。感谢沈锦妮副教授在DFT计算方面做的重要贡献，感谢福州大学电镜中心在高分辨单原子成像测试中提供的帮助。

论文信息：Jiangjie Zhang, Lihong Wang, Jinni Shen, Liangliang Yan, Yanzhong Zhen, Feng Fu, Lanlu Lu, Jinlin Long, Wenxin Dai, Xianzhi Fu, Zizhong Zhang, Rong Cao. Direct Photocatalytic Conversion of Methane to Acetone Through a Synergistic Ta Single-Atom/Ga Lewis Acid Catalyst, Angew. Chem. Int. Ed. 2026, e2764179