乙烯作为石油化工产业的核心原料之一，其生产过程对国家经济发展具有重大影响。当前主流的乙烯生产工艺主要包括热催化的石脑油裂解和乙烷部分脱氢，但此类方法存在能耗高、碳排放大等问题，且依赖于石油资源及国际油价波动。因此，寻求一条更为高效环保的乙烯生产路径，不仅是学术界的挑战，也是工业应用领域的迫切需求。
随着我国乙烯下游产品市场的迅速发展，乙烯产能在2023年已跃居全球首位，达到5000万吨。然而，现有的石油蒸汽裂解技术路线能耗高、碳足迹大，引发了业界对替代方案的深度探索。尤其是进入21世纪后，面对石油资源逐渐枯竭的局面，“后石油时代”的到来促使各国关注到页岩气等非常规天然气资源中丰富的低碳烷烃，其中乙烷储量丰富，成为催化领域研究热点。乙烷脱氢制乙烯因其低成本、高原子经济性和环境友好性备受瞩目，并已在北美和中东地区占据乙烯生产的重要地位。
尽管乙烷直接脱氢和氧化脱氢两种工艺均能实现乙烯的制备，但前者需在高温（超过750℃）下进行，未能显著降低能耗和碳排放；而乙烷氧化脱氢理论上能够在引入氧化剂后优化热力学平衡，实现完全转化，但由于现有研究多基于传统热催化体系，即便科研人员在催化剂研发和机理解析上付出巨大努力，该反应温度依然维持在500℃以上。
在此背景下，施润团队独辟蹊径，将目光转向了清洁可持续的低温光催化过程。他们借鉴课题组先前关于光催化甲烷氧化偶联的研究成果，针对尚未有系统报道的光催化乙烷氧化脱氢进行了深入探究。筛选一系列氧化物半导体捕光单元和过渡金属催化单元，团队成功研制出PdZn金属间化合物负载的ZnO光催化剂，首次实现在140℃反应温度下，通过光催化乙烷氧气氧化脱氢高效制备乙烯，取得了乙烯生成速率达46.4mmolg⁻¹h⁻¹、选择性高达92.6%的优异性能，超越了高温热催化相关文献的报道结果。
此外，该催化剂在模拟页岩气气氛下表现出卓越的丙烷和丁烷氧化脱氢活性，实现了20%的乙烷转化率以及87%的乙烯选择性。原位电子顺磁共振波谱、红外光谱及在线质谱同位素分析揭示了ZnO在光照下产生的活性晶格氧位点能够高效活化乙烷C-H键，并通过与PdZn间的强电子相互作用促进晶格氧的循环再生，构建起独特的光增强晶格氧氧化机制。
值得一提的是，在科研过程中，团队始终秉持严谨求实的态度，坚决抵制为了追求“震撼”效果而夸大或包装研究成果的行为。例如，当发现光催化乙烷直接脱氢实验结果异常优异时，通过排查确认其实际为乙烷氧化脱氢反应，而非直接脱氢，这充分体现了科学精神的坚守。最终，施润团队的相关论文以《氧化锌负载的钯锌金属间纳米粒光催化乙烷氧化脱氢制乙烯》为题发表在Nature Communications期刊上，其在较低反应温度下获得与传统热催化500℃至600℃相当的乙烷氧化脱氢性能，得到了同行专家的高度评价。接下来，团队将继续致力于催化剂活性位点的精细设计调控以及催化反应的放大实验，力求在催化机理研究与实际应用方面取得新的突破。
施润强调：“科学研究的魅力在于不断探索未知，严肃之处则在于自然科学研究往往只有一个客观答案。我们科研人员必须坚持做有用的真实研究，照亮后来者的前行之路。”
