丙酮（CH3COCH3）是一种重要的工业溶剂和平台化合物，在化工领域具有广泛用途。将甲烷（天然气的主要成分）直接转化为丙酮等高附加值C3含氧化合物，是提高原子经济性和实现节能的理想途径。然而，由于甲烷分子呈惰性（C-H键能：439 kJ/mol），C-H键活化困难；同时，C-C偶联过程难以控制、过度氧化难以抑制，目前相关研究大多局限于C1或C2产物，通过甲烷氧化偶联高效合成C3产物的报道十分稀少。
针对这个极具挑战性的科学难题，我校化工学院娄阳教授课题组在前期研究工作的基础之上（Angew., 2026, 65, e3259811;Nat. Commun., 2026, 17, 5515; Angew., 2026, 65, e18312;Nat. Commun., 2025, 16, 9471;Energy Environ. Sci., 2024, 17, 8127; Chem, 2024, 10, 3342等），通过在TiO2载体上构建Pd团簇（Pdc/TiO2），利用Pd团簇与TiO2之间的电子金属-载体相互作用，显著提升了光生载流子的分离效率，促进了光生空穴氧化水产生大量羟基自由基（·OH），实现了C-C可控偶联转化。在常温常压条件下，Pdc/TiO2实现了以甲烷为唯一碳源的光催化直接合成丙酮，丙酮产率达到20.7 ± 1.1 μmol·g-1·h-1，液相丙酮选择性高达59.7%，优于目前大部分文献报道的水平。该成果以"Light-Driven Oxidative Coupling of Methane to Acetone over Pd Clusters via •OH-mediated Activation-coupling Route"为题发表在化工领域顶级学术期刊《AIChE Journal》上（DOI：10.1002/aic.70646）。该论文第一作者为栗武林和刘颖（华东理工大学），唯一通讯作者为娄阳教授。
在这项工作中，研究团队通过系统的实验表征和理论计算揭示了羟基自由基介导的活化-偶联反应路径：光照下，光生空穴氧化催化剂表面的H2O生成羟基自由基；这些羟基自由基随后活化甲烷生成CH3；生成的CH3自由基被缺电子的Pdδ+团簇捕获并稳定；同时，羟基自由基在Pdδ+-O-Ti界面进一步氧化CH3形成CHO中间体；随后，原位生成的CHO与邻近Pdδ+位点上的第一个CH3偶联生成CH3CO，再与另一个CH3偶联生成CH3COCH3。该工作通过原位漫反射红外傅里叶变换光谱捕获了*CH3、*CHO、*CH3CO等关键反应中间体，并结合密度泛函理论计算验证了反应路径的可行性。研究还发现，表面羟基自由基是驱动C-H键活化和丙酮生成的关键活性物种；Pd团簇的缺电子特性源于Pd团簇与TiO2之间的强电子金属-载体相互作用，这种独特的电子结构增强了对CH3中间体的吸附能力，从而精准驱动了连续的C-C偶联过程。
该工作得到了国家重点研发计划（2021YFB3501900）、国家自然科学基金（U21A20326）、江苏省自然科学基金（BK20211239）以及江苏省研究生科研与实践创新计划（编号：KYCX25_2671）的经费支持。
图1 Pdc/TiO2上甲烷光催化转化为丙酮的示意图。
