丙烯被广泛用作生产塑料、织物、洗涤剂和其他化学品的化学原料。丙烷脱氢（PDH）反应能够产生丙烯和氢气，目前已经实现工业化，以弥补丙烯日益增长的需求缺口。由于PDH反应是吸热反应，传统催化工艺中该反应需要在高温（550-750℃）下进行来克服热力学障碍。这不可避免地会导致许多不良后果，如催化剂烧结和积碳等。降低反应温度将节省大量能源，避免不必要的副反应，并防止催化剂的热失活。为了突破热力学限制并实现最终目标——常温脱氢，太阳能光催化长期以来被认为具有巨大潜力，但迄今取得的进展甚微。

针对上述问题，中国科学院上海高等研究院（以下简称“上海高研院”）高嶷、朱倍恩研究员团队与中国科学院大连化学物理研究所张涛院士团队刘晓燕研究员、杨冰副研究员合作在《Nature Chemistry》上发表了一种全新的光热协同催化反应路径，实现了在水蒸气环境中太阳光驱动的常温丙烷脱氢。

本文使用负载在TiO₂上的铜单原子催化剂和连续流动固定床反应器，将反应温度降低到50-80℃。其机理与常规丙烷脱氢不同，氢气是通过光催化分解水蒸气产生的，表面结合的羟基自由基从丙烷中提取氢原子形成丙烯，而不会过度氧化，并且水起到了催化剂的作用。这种方法也适用于其他小分子烷烃的脱氢。

通过理论计算，上海高研院的研究人员发现在吸附了氢的Cu₁/TiO₂-anatase（101）表面上，•OH_s优先吸附在五配位的钛位点上，吸附能为-1.22 eV。这种强结合能表明，•OH_s几乎无法解吸到气相中形成•OH_f。本文接着研究了通过从丙烷的亚甲基（TS）或甲基（TS′）基团中提取一个氢原子来进行第一步脱氢的过程。计算得出的脱氢能垒分别为0和0.09 eV，这表明在两种情况下第一次C-H键的断裂都是有利的（图1c）。随后，丙基自由基稳定地吸附在催化表面的晶格氧上，并与另一个相邻的•OH_s发生反应，跨越的能垒分别为0.68和0.61 eV。更重要的是，计算得出的反应路径在能量上是下行的，这表明该反应路径在中等温度下是可行的，正如本文的实验所证明的。在没有•OH_s的情况下，反应路径在能量上是上行的，并且在热力学上是不有利的，这与没有水蒸气时丙烯生成速率下降的情况一致。

最后，本文还展示了在阳光下驱动的水催化丙烷脱氢，在低至10℃的反应温度下就能运行（图2b），可谓“太阳晒一晒，丙烷变丙烯”。尽管水催化的丙烷脱氢反应的时空产率低于工业丙烷脱氢催化剂，但研究人员期望这种全新的策略为丙烷脱氢反应开创一个新时代，通过利用太阳能，避免了对化石能源的大量消耗。

原文链接：http://www.nature.com/articles/s41557-025-01766-3

图1| •OH_s在水催化丙烷脱氢反应中的作用

图2| 阳光下水催化丙烷脱氢的反应路线