等离子体催化CH4非氧化偶联(NOCM)过程涉及非均质表面反应，突出了合理设计具有定制活性位点和形态的催化剂的重要性，以最大限度地提高性能。在常规OCM中，Na2WO4和Mn2O3已被证明在CH4活化和C-C偶联中是有效的。具体而言，Na2WO4产生活性氧物种来激活CH4，而Mn2O3负载的O物种促进*CH3中间体的偶联。
鉴于它们在甲烷偶联中的关键作用，将Na2WO4和Mn2O3整合到等离子体催化NOCM中为通过它们的协同提高不饱和C2烃的产生提供了一个有前景的途径。值得注意的是，Na2WO4和Mn2O3在CH4偶联途径的不同阶段发挥作用：等离子体预活化CH4，促进Na2WO4介导的CHx脱氢形成*CH和*CH2，而Mn2O3促进这些中间体随后的偶联形成C2H2和C2H4。
受这种协同作用的启发，昆明理工大学李孔斋、王华和利物浦大学屠昕等提出了一种使用空间结构化Na2WO4-MnOx催化剂的串联等离子体催化系统，该系统旨在依次优化脱氢和偶联步骤，与使用随机结构化催化剂的等离子体催化系统相比，提高了C2烃形成效率。制备的催化剂具有中空的纳米球结构，Na2WO4纳米颗粒锚定在相互连接的通道上，单分散的Mn3O4生长在内腔中。
结果表明，催化剂的CH4转化率达到34%，对C2H2和C2H4的选择性达到42.3%。与仅使用等离子体系统相比，产率提高了近4.5，对不饱和C2烃的选择性提高了4倍。更重要的是，在25小时的稳定性试验中没有观察到催化剂失活。
机理研究表明，Na2WO4促进了分散的CH4和CH3的脱氢，导致形成*CH和*CH2中间体。这些物种随后在Mn3O4表面经历C-C偶联形成C2H2和C2H4。光谱表征和理论计算证实，分离的Na2WO4和Mn3O4活性位点实现了串联催化效应，从而提高选择性。
此外，介孔纳米反应器设计通过Debye屏蔽效应阻止了CH4等离子体对内部Mn3O4的还原，这减少了催化剂上的碳沉积，并保护生成的*CH和*CH2中间体免受进一步分解。综上，这种催化剂设计策略提高了等离子体催化系统的能量效率，并为在温和条件下将CH4转化为不饱和烯烃铺平了道路。
Shielded bifunctional nanoreactor enabled tandem catalysis for plasma methane coupling. Nature Communications, 2025. DOI: 10.1038/s41467-025-59709-y
李孔斋，教授，博士生导师。主持国家和省部级科研项目19项，含国家自然科学基金联合重点项目1项、面上项目3项、科技部重点研发计划子课题1项、云南省重大专项项目1项、云南省杰出青年项目1项、云南省重点项目1项、云南省科技厅重大科技专项子课题2项等。在JACS、Chem、Nat. Commun.、Chem. Soc. Rev.等著名期刊发表SCI论文177篇，第一或通讯作者107篇，他引6000余次，5篇入选ESI高被引，1篇入选热点论文，H因子42；出版学术专著1部；第一发明人授权中国发明专利28件，7件实现应用。兼任中国有色金属学会节能减排专业委员会委员、中国能源学会专家委员会委员、Chinese Chemical Letters青年编委会委员、International Journal of Coal Science & Technology编委会委员和中国稀土学会催化专业委员会委员等。
王华，1987年本科毕业于东北大学热能工程系，1990年硕士毕业于昆明理工大学冶金系有色冶金专业并留校任教，1996年博士毕业于昆明理工大学冶金系有色冶金专业。1998年至2000年在日本京都大学能源科学研究生院进行博士后研究。先后发表学术论文200余篇，SCI、EI收录49篇，出版学术专著11部，先后获省部级科技进步二等奖1项、三等奖5项，省自然科学二等奖4项、三等奖2项，申请专利30项，授权18项；2005年被评为云南省十大杰出青年，2006年被评为云南省教育改革与发展优秀教师，2007年入选新世纪百千万人才工程国家级人选。
屠昕，英国利物浦大学教授，博士生导师。1996年9月至2000年7月在浙江工业大学获工学学士学位，2000年进入浙江大学机械与能源工程学院学习，2007年获浙江大学(动力工程与工程热物理)和法国鲁昂大学(物理学)双博士学位。2008至2012年先后在比利时鲁汶大学表面化学和催化研究中心和英国曼彻斯特大学化学学院从事博士后研究，2012年3月起在利物浦大学任教。他长期致力于将等离子体催化技术用于能源高效转化利用和环境污染控制等基础前沿和应用研究，在Nat. Rev. Mater、JACS、Agnew.等重要国际期刊发表论文200余篇，总引用>11000，H因子62。