王心晨团队汪思波课题组在光热甲烷干重整领域取得新进展

近期，我院王心晨团队汪思波课题组，在Journal of the American Chemical Society上发表了题为“Vacancy-Engineered Perovskite Ferrites Stabilize Atomic Ru Sites and Activate Lattice Oxygen for Photothermal Methane Dry Reforming”的研究论文。该研究通过在LaFeO₃钙钛矿中构筑Fe空位，实现了Ru单原子（Ru₁）的稳定锚定与晶格氧（O_L）活化的协同调控，有效缓解了光热甲烷干重整过程中单原子易团聚和O_L迁移动力学受限的问题，为高效稳定光热DRM催化剂的设计提供了新的思路。

二氧化碳（CO₂）和甲烷（CH₄）均是重要的碳资源。甲烷干重整（DRM，CH₄ + CO₂ → 2CO + 2H₂）能够将二者直接转化为合成气，兼具温室气体资源化利用和高值化学原料制备的重要意义。然而，CH₄中的C–H键和CO₂中的C=O键均具有较高的化学稳定性，传统热催化DRM通常需要较高反应温度。苛刻的高温条件又容易诱发碳沉积和活性金属烧结，导致催化剂失活。因此，如何在降低反应能耗的同时实现CH₄和CO₂的高效活化，并保持催化剂长期稳定，是DRM研究领域面临的重要挑战。

近年来，太阳能驱动的光热催化为降低DRM反应能耗提供了新的途径，其中光诱导Mars–van Krevelen（MvK）循环能够通过O_L迁移促进CH₄转化，并借助CO₂补氧实现O_L再生。该反应的效率在很大程度上取决于两个相互关联的因素：金属活性位点的利用率以及氧化物骨架内O_L的迁移率。然而，大多数氧化物晶格的氧扩散能力有限，而金属助催化剂通常以纳米颗粒形式存在，其原子利用率较低。尽管单原子催化剂可以最大限度地提高金属利用率，但在稳定原子位点的同时触发晶格氧的氧化还原反应，仍然是一项重大挑战

基于此，本研究在LaFeO₃中引入Fe空位，利用缺陷位点稳定Ru₁并调控局域电子结构。研究表明，Fe空位不仅能够为Ru₁提供稳定的配位锚定位点，还可削弱La−O−Fe单元中的金属−氧相互作用，促进O_L迁移。在光热DRM过程中，活化的O_L迁移并与CH₃*结合形成CH₃O*中间体，抑制深度脱氢和积碳；同时O_L迁移形成的氧空位进一步促进CO₂吸附解离，实现O_L补充与再生，从而维持了一个可再生MvK循环。

Ru₁/LaFe_1-xO₃的光热DRM反应路径示意图

这一成果发表在Journal of the American Chemical Society上，论文的第一作者为福州大学化学学院博士研究生李继龙，汪思波教授为论文的通讯作者，为本研究提供了重要的指导。这项研究工作得到了国家自然科学基金等项目的大力支持。

论文信息：“Vacancy-Engineered Perovskite Ferrites Stabilize Atomic Ru Sites and Activate Lattice Oxygen for Photothermal Methane Dry Reforming”, Jilong Li, Ke Tang, Yueling Chen, Bo Su, Xiahui Lin, Xue Feng Lu, Kunlong Liu, Masakazu Anpo, and Sibo Wang*, J. Am. Chem. Soc. 2026, 148 (33), 35424-35432.. DOI: 10.1021/jacs.6c05473