在天然气转化与低碳烃资源利用领域，乙烷的选择性活化与转化具有重要的工业应用价值。然而，乙烷分子的C-H键极其惰性，而C-C键相对活泼，导致反应活性与目标产物选择性之间存在显著的“跷跷板”难题。在氧化环境下，乙烷转化活性较高但C-C键易断裂导致低选择性；而在无氧环境下，保护了C-C键但反应活性很低。如何在温和条件下兼顾乙烷转化的活性与选择性，是该领域长期面临的关键科学挑战。

近日，清华大学化工系唐军旺教授团队领衔，与中石化（北京）化工研究院有限公司合作，设计了一种电子传递桥梁Au^δ+，打通了电荷从载体CeO₂到活性位Au颗粒的高效电荷传递，首次实现光和热协同氧气氧化高选择性乙烷偶联制丁烷。该桥梁策略将空穴转移时间尺度从纳秒量级提升至皮秒量级，从而显著抑制了碳链断裂副反应，实现了丁烷产率与选择性的双重提升。

研究发现，在传统的CeO₂或Au/CeO₂催化体系中，空穴容易在CeO₂表面堆积导致碳链断裂，产生CO₂、CH₄等产物。针对这一问题，团队构建了CeO₂→Au^δ+→Au的新型载流子传输路径。通过飞秒-纳秒瞬态吸收光谱分析证实，界面Au^δ+物种的存在使空穴能够在1皮秒内快速从CeO₂抽提至碳链增长活性位点Au，从而抑制了C-C键断裂，促进碳链增长。

Au−Au^δ+/CeO₂光和热协同催化乙烷偶联示意图

实验结果显示，在光照、150 ℃及4 bar的反应条件下，Au−Au^δ+/CeO₂催化剂表现出优异的性能：乙烷转化速率达到400 mmol/g/h，丁烷选择性高达85%，相比不含Au^δ+的对照样品，丁烷产量提升了8.2倍。此外，研究还揭示了热在反应中的协同作用，发现加热能显著加速丁烷分子的脱附过程，将产量在纯光照基础上进一步提升了3.3倍，且系统可稳定运行超过100小时。

该研究通过调控空穴传输动力学，构建起了载流子物种与反应路径的联系，为惰性C-H键的高效活化提供了新的机理见解，也为解决催化问题中选择性与活性的“跷跷板”难题提供了新的范式。

相关研究成果以“Au^δ+−Au通路促进光和热协同催化C-H键高选择性活化”（Au^δ+–Au Relay-Promoted Synergy of Light Irradiation and Heating for Highly Selective Activation of C–H Bonds）为题，于北京时间3月24日发表于《美国化学会志》（Journal of the American Chemical Society）。

清华大学化工系唐军旺教授为论文通讯作者，清华大学化工系2024级博士生秦子瀛为论文第一作者。合作单位包括中石化（北京）化工研究院有限公司。论文共同作者包括清华大学化工系博士后国俊俊、崔鸿劼、赵小舟，2023级博士生王铁鸥等，该研究得到了国家重点研发计划、国家自然科学基金以及清华大学-中国石油化工集团有限公司绿色化工联合研究院等项目的资助与支持。