近日，香港城市大学楼雄文教授与清华大学王定胜教授团队合作，在电催化领域取得系列重要进展，利用卤族自由基解决电催化中碳氢（C-H）选择性活化、副反应抑制等关键科学问题，分别在电催化丙烷脱氢、无机氯碱-有机精细合成双功能催化应用领域实现突破，相关研究成果相继发表于国际顶级期刊《科学》和《自然·合成》。
1.溴介导的自组装离子液体-SnO2电催化丙烷脱氢
丙烯作为聚丙烯、丙烯腈等化工品的核心原料，全球市场需求持续高于供给，依托页岩气丙烷资源的催化丙烷脱氢（PDH）成为其定向合成的主流工艺，但该反应的强吸热特性导致高能耗、高碳排放，还需低温精馏提取聚合级丙烯。现有电催化PDH虽能在温和条件下实现C-H活化，却因反应物与催化剂相互作用弱等问题，难以在保持催化活性和稳定性的同时实现丙烯高选择性生成。
针对上述挑战，研究团队开发了溴介导的电化学丙烷脱氢技术，以自组装离子液体-二氧化锡（IL-SnO2）空心球作为电催化剂。其中丙烷在阳极液中生成溴丙烷，后者与阴极产生的羟基阴离子反应生成丙烯，阳极液可直接持续产出纯度高于99%的丙烯气体，催化活性与选择性可维持6000小时以上。该成果为绿色电催化技术的发展提供了全新的思路。
研究团队利用合肥光源光电子能谱实验站（BL10B）的软X射线吸收谱（sXAS）技术针对IL-SnO2催化剂进行了表征，结果发现IL-SnO2的N-K边吸收谱特征与纯IL相比发生了显著改变，明确了IL对SnO2的电子修饰效应，而非简单的物理负载。该结果直接反映出离子液体的氮位点与SnO2之间存在电子相互作用，证明缺电子Snδ+中心是促进丙烷C-H活化的结构基础，为解释IL-SnO2催化剂的高催化活性提供了关键的电子结构层面依据。
图2.（a）IL和IL-SnO2的N-K边吸收谱；（b）合成的IL-SnO2示意图，橙色、蓝色和灰色球分别代表Br、H和C元素。
2.高效有机电催化剂实现阴阳极双功能反应
随着有机电催化剂在无机化学与有机化学领域受到越来越多的关注，构建适用于各类阳极、阴极反应的高效催化剂已成为必要工作。制约有机电催化剂应用的障碍主要分为三类：电极与有机分子间的作用机制不明确、高附加值化学品的合成效率不足、商业化生产条件下的耐久性欠佳。分子催化剂凭借结构多样性、合成可控性与清晰的作用机理，成为攻克上述难题的可行方案。
受人体氯离子通道（CLC-1）启发，研究团队设计了一类含酰胺基团的有机电催化剂，可同时促进电极的氧化与还原过程。该催化剂在工业条件下，针对无机析氯反应展现出高活性与高稳定性（1 A cm-2电流密度下过电位91 mV，稳定运行200h），选择性达99.9%。该工作为可同时应用于无机与有机合成领域的分子催化剂设计提供了新思路。
依托光电子能谱站（BL10B）的sXAS谱学表征发现，有机电催化剂N-K吸收边出现氨基酸特征峰，直接印证了催化剂中酰胺基官能团的存在，验证了仿生氯离子通道的设计合理性，证实催化剂中氮元素处于低价态，明确了质子吸附与电子转移的核心活性位点，为质子化催化机制、离子传输等机理分析提供了重要的电子结构依据。
图3.（a）受天然氯离子通道启发而设计的有机分子；（b）上述分子的N-K边软X射线吸收谱。
论文链接：
1. https://www.science.org/doi/10.1126/science.aed2309
2.https://www.nature.com/articles/s44160-026-01039-y
