直接和选择性催化甲烷（OCM）氧化偶联成高碳产物是C1化学中的一项重大挑战。
2024年11月5日，北京化工大学宋宇飞教授团队在Advanced Functional Materials期刊发表题为“Unraveling the Synergy of Au and Polar MgO(111) Surface in Photothermal Catalytic Oxidative Coupling of Methane”的研究论文，团队成员沈天阳为论文第一作者，宋宇飞教授为论文通讯作者。
该研究报道了一系列负载在MgO(111)、(110)和(100)不同面上的Au簇的成功制备。研究表明，负载Au的MgO(111)（Au/MgO(111)）具有最高的C2H6产率（12733.4μmolg-1h-1）和90.4%的选择性，是Au/MgO(110)（5171.4μmol g-1h-1）的2.46倍，是Au/MgO(100)（506.4μmol g-1h-1）的25.14倍。此外，Au/MgO(111)的高活性可在100小时内保持良好。详细的原位实验和理论计算显示，如此优异的性能可归功于以下原因：1)极性MgO(111)表面氧物种与CH4具有很强的电子亲和性，吸附能最低，为-0.82eV；2)在OCM的速率决定步骤（涉及激活第二个CH4分子）中，Au/MgO(111)的∆ERDS最低，为0.53eV；3)在光照射下，Au可作为空穴受体，吸附具有强d-σ杂化作用的*CH3，从而提高了C2H6的选择性。
DOI：10.1002/adfm.202418021
该研究报道了在MgO上以不同面暴露方式负载Au簇的制备过程。通过结合使用HRTEM、HAADF-STEM和XAFS测量方法，对制备的Au/MgO的精细形貌和配位结构进行了详细的表征。在光热催化OCM中，Au/MgO(111)表现出卓越的C2H6产率（12,733.4μmol g-1h-1）和90.4%的选择性。此外，Au/MgO(111)的高活性可在100小时内保持良好。综合DFT计算、原位XANES和原位DRIFTS揭示了极性MgO(111)载体和负载金簇的详细反应机理和作用。
总之，该研究利用负载不同MgO面的Au簇作为催化剂，证明了催化剂面工程是光热催化OCM反应的一种有效策略。研究人员结合HRTEM和HAADF-STEM仔细研究了合成的Au/MgO催化剂的形态。Au/MgO(111)呈六边形形态（横向尺寸≈100nm，厚度≈20nm），其顶面出现了间距为0.15nm、夹角为60°的三重晶格边缘，侧面的晶格边缘间距为0.24nm，与MgO(111)的理论模型十分吻合。对不同Au/MgO的精细结构分析表明，Au/MgO(111)具有最强的电子金属-载体相互作用（ESMI），XAFS测量证明了这一点。在光热催化OCM反应中，Au/MgO(111)的C2H6产率高达12,733.4μmolg-1h-1，是Au/MgO(110)的（5171.4μmolg-1h-1）的2.46倍，是Au/MgO(100)（506.4μmolg-1h-1）的25.14倍。Au/MgO(111)如此高的反应活性可归因于极性MgO(111)表面氧物种的强电子亲和性，它能够增强甲烷吸附（ΔE=-0.82eV）并加速光热催化甲烷转化循环。结合原位XANES光谱和DFT计算发现，Au在光照射下可作为空穴受体，以强d-σ杂化吸附*CH3，从而提高了C2H6的选择性。该研究为更好地理解Au簇和MgO载体在光热OCM中的协同效应开辟了一条新途径。
■密度泛函理论DFT计算：电荷密度、态密度DOS、能带、费米能级、功函数、ELF；介电常数、弹性模量、声子谱；吉布斯自由能、吸附能、掺杂能、缺陷形成能；HER、OER、ORR、NRR、CO2RR；反应路径、反应机理、迁移能垒等
■量子化学QC计算：静电势、偶极矩、布居数、轨道特性、自旋密度、Fukui函数；激发态、跃迁偶极矩；氢键、π-π堆积、疏水作用力；过渡态、反应能垒、反应机理；红外、拉曼、荧光、磷光、核磁谱、圆二色谱等
■分子动力学MD模拟：生物体系弱相互作用分析、受体-配体组装过程、结合自由能；材料体系的高分子构象预测、材料与溶液界面性质、粗粒化模拟；轨迹分析RMSD/RMSF、径向分布函数RDF、扩散、氢键数量；分子对接；同源建模；虚拟筛选、定量构效关系QSAR
■有限元FEM仿真：结构仿真（接触分析、非线性分析、振动/疲劳/传热/裂纹/碰撞分析）；电磁仿真（电场、磁场、电磁耦合、磁热耦合、射频微波）；流体仿真（多相流体、组分运输、流体传动、相变）；光学/声学仿真相关
