晶格氧介导的光催化乙烷脱氢是一种可持续的乙烯生产策略，但是实现高产率、高选择性和高耐久性之间的平衡仍然是一个挑战。
2025年7月17日，福州大学汪思波、阿卜杜拉国王科技大学（KAUST）张华彬在国际知名期刊Nature Communications发表题为《Photocatalytic ethylene production over defective NiO through lattice oxygen participation》的科研论文，Fen Wei为论文第一作者，汪思波、张华彬为论文通讯作者。
在本文中，作者报道了一种具有缺陷的NiO-300催化剂，其中精确构建的镍空位通过削弱Ni-O键和提高晶格氧的流动性来激活晶格氧。
这促进了乙烷的高效活化和C-H键断裂，通过光诱导空穴捕获，增强乙烷脱氢过程，实现了光增强的Mars-van Krevelen机制。
NiO-300催化剂表现出604.5 μmol g-1h-1的高乙烯产率，选择性达到100%，并在200个循环中表现出稳定性。
原位光谱和密度泛函理论（DFT）研究表明了活性氧物种的生成、Ni配位的演变、关键中间体的形成以及潜在的光催化机制。
本研究结果强调，通过阳离子空位工程是一种强大的策略，能够充分激活晶格氧，从而利用氧化物光催化剂从烷烃脱氢中实现太阳能驱动的烯烃生产。
图1：NiO-x催化剂的结构分析。a.温度依赖的原位XRD。b.电子顺磁共振（EPR）谱。c.对分布函数（PDF）。d.归一化的Ni K 边XANES光谱。e.傅里叶变换k2χ(k) Ni K边EXAFS光谱。f.k2加权的Ni K边EXAFS小波变换（WT）。g.NiO-300的高角环形暗场扫描透射电子显微镜（HAADF-STEM）图像。h.HAADF-STEM图像中原子对比度强度的二维分布。i.图1h中虚线菱形区域的放大图。
图2：镍空位结构的理论模拟。a.不含（上）和含（下）Ni空位的NiO(110) 模型局部原子构型。b. 在不同温度区间内v-NiO的对关联函数（PCF）。c与d.（c）v-NiO与（d）纯NiO的声子谱。e.v-NiO 的能带结构计算结果。f.v-NiO 的分波态密度（PDOS）
图3：光催化性能。a. NiO-x在间歇反应器中的光催化乙烷脱氢（EDH）性能。b. NiO-300在不同条件下的EDH性能。c. 由13CH312CH3生成乙烯的GC-MS谱图。d. 经18O2再生后的废NiO-300所产水的GC-MS谱图。e. NiO-300在不同乙烷浓度下的光催化EDH活性。f.NiO-300在连续流系统中不同气体空速（GHSV）时的EDH性能。g. NiO-300在连续流系统中的稳定性测试（每循环的EDH反应、Ar吹扫和空气再生时间均为5 min，GHSV=3000 mL g-1 h-1）。误差棒为三次独立测量的标准偏差。
图4：原位表征与DFT计算提出的反应机理。a. NiO-300在暗场（Ar气氛）及光照（Ar或C2H6气氛）条件下的原位EPR光谱。b-c. NiO-300在乙烷气氛中受光照时的原位XAFS结果：(b) 归一化的Ni K边吸收谱；(c) 对应的傅里叶变换k2χ(k) Ni K边EXAFS谱。d. NiO-300在乙烷气氛中不同光照时间下的原位DRIFTS光谱。e. NiO催化乙烷脱氢（EDH）反应的DFT计算势能自由能图。f. 图4e中v-NiO势能自由能图对应的中间体构型（侧视图）。
图5：反应机理：提出的NiO-300光催化乙烷脱氢（EDH）反应机制。
综上，作者通过在NiO中引入Ni空位，精准调控晶格氧活性，实现了光催化乙烷脱氢制乙烯的高效转化。
成果上，NiO-300催化剂在连续流系统中乙烯产率高达604.5 μmol g-1 h-1，选择性达100%，并可循环使用200次以上；
其意义在于首次揭示了阳离子空位对晶格氧活性的决定性作用，提出了光增强的Mars-van Krevelen机制；应用前景方面，该技术为阳光驱动低碳烷烃制烯烃提供了可持续、低成本、可规模化的工业路径。
Photocatalytic ethylene production over defective NiO through lattice oxygen participation. Nat. Commun., 2025. https://doi.org/10.1038/s41467-025-61634-z.
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