低碳烯烴是重要的化學(xué)品或中間體，主要來源于石腦油裂解等石化過程。以成本相對低廉儲量相對豐富的天然氣(主成分是CH₄)替代石油生產(chǎn)基礎(chǔ)化學(xué)品，是當(dāng)前學(xué)術(shù)界和產(chǎn)業(yè)界研究開發(fā)的重要方向。

CH₄非常穩(wěn)定，通常以催化劑表界面活性氧物種實現(xiàn)對CH₄的活化與氧化，但易將CH₄及其產(chǎn)物過氧化而降低原子利用率。CO₂作為氧源在較高溫度亦可將CH₄轉(zhuǎn)化為低碳烯烴，但催化劑失活是尚未解決的關(guān)鍵難點。

中科院功能納米結(jié)構(gòu)設(shè)計與組裝重點實驗室謝奎課題組，在國家重點研發(fā)計劃、國家基金重大研究計劃、中科院潔凈能源創(chuàng)新院聯(lián)合基金和福建省百人計劃等項目資助下，發(fā)展出熱電耦合催化CH₄/CO₂制烯烴的新途徑。

如圖所示，CO₂作為氧源在陰極活化還原為CO，氧離子則通過電解質(zhì)傳輸至陽極以界面活性氧的形式對CH₄活化并耦合氣相偶聯(lián)實現(xiàn)CH₄向烯烴的轉(zhuǎn)化。外場環(huán)境和界面催化的協(xié)同調(diào)變避免了CH₄及其產(chǎn)物過度氧化。這一過程不僅實現(xiàn)了CH₄向低碳烯烴轉(zhuǎn)化，也實現(xiàn)了CO₂還原與高值利用，是“一舉兩得”的極具潛力的新途徑。　　

該工作通過對Sr₂Fe_1.5Mo_0.5O_6-δ(SFMO)摻雜并在表面鉚合生長納米鐵構(gòu)筑金屬–氧化物界面體系，以增強對CH₄的活化和納米金屬穩(wěn)定性以及抗積碳性能。

協(xié)同調(diào)控金屬–氧化物界面長度和外電場實現(xiàn)陶瓷電極對CH₄氧化性能的調(diào)變。常壓下實現(xiàn)了16.7%的C₂產(chǎn)物濃度，CH₄轉(zhuǎn)化率可達(dá)41%，運行100小時無衰減。相關(guān)研究結(jié)果發(fā)表于?Nature Communications 。

Zhu C, Hou S, Hu X, et al. Electrochemical conversion of methane to ethylene in a solid oxide electrolyzer[J]. Nature Communications, 2019, 10(1): 1173.

該課題組此前開展了新型界面體系、電解CO₂制CO和電解CO₂耦合CH₄氧化制合成氣(Science Advances,2018,4,eaar5100；Nature Communications,2017,8:14785)的研究工作。并針對小分子活化轉(zhuǎn)化的活性位點，將不飽和配位局域結(jié)構(gòu)長程有序化構(gòu)筑了多孔單晶體系，研究配位不飽和度和局域電子態(tài)等對特定小分子活化轉(zhuǎn)化的機制(Advanced Mateirals,2018,1806552；Materials Horizons,2018,5,953-960；Nature Communications,2017,8,2178)。