乙烷和二氧化碳催化转化的研究进展

郭丹，方雨洁，许一寒，李致远，黄守莹，王胜平，马新宾

（天津大学化工学院，教育部绿色合成与转化重点实验室，天津 300350）

引 言

随着科学技术与经济的飞速发展，人类对能源的需求不断上升。以石油、煤炭和天然气为代表的化石能源在世界能源消费体系结构中仍占有主体地位[1]。在开发清洁高效低碳新型能源和可再生能源的大潮下，非常规能源页岩气、煤层气，成为全球油气勘探的焦点之一。联合国贸易和发展会议指出，中国页岩气储量36.1 万亿立方米，居世界第一位，占全球可开采页岩气储量的14.7%。中国在页岩气开发方面拥有巨大的优势和潜力[2]。此外，我国的煤层气资源丰富，总储量为36.8 万亿立方米，位于全球第三。页岩气和煤层气中均拥有含量丰富的乙烷资源，如何高效利用乙烷是目前的研究热点之一。

工业革命以来，以CO2为首的温室气体大量排放已经造成温室效应等严重的环境问题。CO2的资源化利用即将CO2作为原料转化为化学品是实现碳减排的有效手段，也是当前世界范围内面临的重大挑战。在“碳中和、碳达峰”目标的大环境下，结合煤层气、页岩气利用与CO2减排的迫切形势，将两者结合重整制备合成气或催化氧化制备烯类物质具有广阔的应用前景[3-7]，如图1所示。

图1 乙烷重整与氧化脱氢反应示意图Fig.1 Schematic diagram of ethane reforming and oxidative dehydrogenation reaction

乙烷干重整反应（dry reforming of ethane，DRE）是指C2H6和CO2反应，通过C—C 键断裂生成目标产物合成气（CO 和H2）[6-17]。该反应可以在低于CH4干重整反应100 K 左右的温度下达到热力学平衡，反应条件更加温和[18]。二者热力学平衡温度的差异使得在适宜温度下，页岩气中的C2H6即可发生转化而CH4不参与反应，这一特点为页岩气的分离提供了潜在途径[11]。

乙烷氧化脱氢（CO2oxidative dehydrogenation of ethane，CO2-ODH）是指在催化剂的作用下C2H6的C—H 键被打破，发生氧化脱氢反应生成乙烯[19-29]。相比直接脱氢，催化氧化脱氢具有能耗低、反应平衡常数大的特点。且该反应中CO2作为一种温和的氧化剂能很好地避免潜在的爆炸风险，而产物乙烯是重要的化工基本原料。因此，研究CO2-ODH反应被认为是实现C2H6和CO2资源化利用的重要途径。

然而，目前乙烷干重整和催化氧化脱氢催化剂均存在选择性低、易烧结、积炭等问题，难以满足工业应用需求[30]。在反应过程中，亲电氧物种和亲核氧物种分别倾向于进攻C—C 键和C—H 键，导致产物不同。同时，乙烷裂解反应和CO 歧化反应容易产生积炭。因此，如何通过催化剂设计选择性地断裂C—C 键或C—H 键并且抑制积炭反应的发生是实现干重整和催化氧化反应定向、稳定转化的关键[31]。此外，综合考虑热力学和动力学因素，两个反应均需在高温下进行（＞873 K），但高温易导致催化剂活性金属发生烧结进而引起失活。综上所述，高效的乙烷干重整或催化氧化催化剂往往需要具备以下特点：（1）具有较好的活性，尤其需要有效地将CO2分子活化；（2）能高选择性地断裂C—C、C—H键其中之一，且能较好地保护另一种；（3）适当的活性位点间隔，避免发生烧结而导致的失活问题；（4）能有效避免积炭问题。

本文将具体从热力学、反应机制、催化剂活性组分和载体性能几方面综述近年来乙烷与CO2干重整和催化氧化的研究进展。

1 热力学分析和反应机理

1.1 热力学分析

乙烷与CO2的反应体系复杂，产物众多。主要存在以下反应[32]：

通过热力学数据可以看出上述反应均为强吸热反应，且在常温常压条件下均不能自发进行，升高温度在热力学上更有利。对于两个反应，二者Gibbs 自由能均随温度升高而降低（图2），进一步证明了升高温度更有利于DRE 和ODH 反应的发生[7]。乙烷重整反应自发进行的温度为789 K，而乙烷氧化脱氢自发进行的温度为1085 K。因此，高温下两种反应属于共存竞争关系，而乙烷的重整反应在低温条件下更具热力学优势。目前文献报道的反应温度通常在873 K 以上，高温导致不可避免地发生乙烷热裂解反应[（式3）]和碳气化反应[（式4）]。其中，碳气化反应的焓变大于0，说明高温有利于反应正向进行从而减少积炭，抑制重整反应产物CO 发生歧化。

图2 乙烷干重整和乙烷氧化脱氢反应Gibbs自由能随温度的变化[7]Fig.2 The variation of Gibbs free energy with temperature for dry reforming of ethane and oxidative dehydrogenation of ethane[7]

此外，热力学上乙烷分子在有氧参与的反应条件下比无氧条件下更有利。但若氧化剂选择O2，容易造成深度氧化问题。因此选择CO2作为软氧化剂，不仅在一定程度上可以提高反应的活性，而且可以减少反应物与产物的深度氧化，CO2与C 反应还可减少催化剂的积炭从而延长催化剂的寿命[33]。实际反应中，逆水汽变换等副反应的存在也对催化剂的选择性及稳定性提出了更高的要求。

1.2 反应物分子活化机制

近年来，随着催化材料制备、原位表征技术和理论计算的快速发展，乙烷和CO2的催化反应机理研究不断深入。然而，催化剂种类、反应条件及表征技术的差异导致反应路径和失活机理有所区别且存在争议，有待进一步厘清以指导催化剂设计和工艺优化。

1.2.1 乙烷分子活化的反应机制 乙烷分子中除了六个C—H σ 键之外，还有两个碳原子的sp3杂化轨道相互交盖而形成C—C σ 键，键角为109.5°。由于乙烷的C—H 键键能大极性小，化学性质很稳定。因此，乙烷的活化是反应的关键步骤之一。由于催化剂的不同，文献中报道的乙烷分子活化机理主要包括以下三种（图3）[33]：(1) 金属原子是反应的活性位，反应过程中插入烷烃的C—H 键中，形成R-MH三中心结构，随后C—H键断裂，形成R-M 和H-M物种；(2) 金属原子-晶格氧是反应的活性位，形成R-M-O-H（R 为烷烃分子，M 为金属原子）四中心结构，C—H 键活化后断裂，H 原子和脱氢后的烷基分别吸附在晶格氧和金属原子上，形成R-M 和H—O物种；(3) 晶格氧是反应的活性位，乙烷分子中的H原子受晶格氧吸引，C—H 键拉长、断裂，最后形成H—O和乙基自由基。

图3 乙烷分子活化机理[33]Fig.3 Activation mechanism of ethane[33]

1.2.2 CO2的反应机制 乙烷与CO2的反应中，CO2的作用机制可以大致分为以下三类[34]：(1)“活性氧”作用机制，CO2在催化剂表面解离形成表面吸附物种CO*与O*，表面活性氧O*与吸附于催化剂表面活化的乙烷分子进行反应生成目的产物；(2)“晶格氧”作用机制，反应物分子吸附在催化剂表面，催化剂中晶格氧被反应物还原至较低价态后经CO2氧化至高价态，完成氧化还原循环；(3)“反应耦合”作用机制，CO2转化反应（水煤气逆转换反应，CO2与H2反应生成CO 和H2O）与烷烃分子脱氢耦合，打破原来脱氢反应的热力学平衡。

1.2.3 乙烷分子C—C 键与C—H 键活化 在不同催化剂的作用下，C2H6与CO2不仅可以通过干重整反应破坏C—C 键生成合成气（CO 和H2），还可以破坏C—H 键生成乙烯。因此，两条反应路径之间的差距在于C—C 键和C—H 键的选择性断裂即深度氧化问题。研究表明，通过控制催化剂表面的亲电或亲核氧物种的种类和数量可以实现乙烷中C—C键或C—H键的选择性裂解[7]。

综上所述，催化剂不同活性位点、界面的相互作用能够调控乙烷和CO2活化以及表面氧物种的转移，催化剂中氧的电子状态往往决定乙烷中C—C键和C—H键的选择性。

2 乙烷干重整反应催化剂研究进展

在C2H6/CO2干重整反应的研究中，负载型过渡金属（Fe、Co和Ni）催化剂和贵金属（Pt、Rh、Ru和Ir）催化剂因其高催化性能和良好的抗积炭性能受到研究者的广泛关注。负载型金属催化剂的催化活性和选择性主要取决于其活性组分的结构以及活性组分和载体的相互作用。目前的研究主要集中在活性组分的调节和催化剂载体的改进。

2.1 负载型单/双金属催化剂

CeO2提供的强亲电氧物种可以使乙烷C—C 键更易断裂，从而促进干重整反应发生，是文献中负载型单金属催化剂最常见的载体。Xie 等[31]考察了CeO2负载的单金属催化剂[图4(a)]，发现Rh、Ru、Ni、Ir和Pt对DRE 反应具有很高的选择性（85%～95%），而Pd 对CO 和乙烯具有相似的选择性（40%vs60%）。Bader 电荷分析表明，对于不同金属和CeO2载体，其界面氧物种的电荷状态存在差异，例如亲电氧物种和亲核氧物种，促使其更倾向于进攻乙烷的C—C/C—H 键，进而对产物选择性产生影响。尽管贵金属催化剂具有较高的活性和抗积炭性能，但是其资源有限，价格昂贵，对其回收利用提出了新的挑战。Li 等[17]研究了CeO2负载的过渡金属（Fe/Co/Ni/Cu）催化剂[图4(b)]，活性顺序依次为Ni＞Co＞Cu＞Fe。另外，与酸性氧化铝等载体相比[图4(c)[35]],氧化铈负载的镍基催化剂表现出较高的乙烷/CO2转化率和CO 选择性且Ni 相对廉价易得，表现出很强的竞争力。然而，由于镍基催化剂的台阶位尺寸与C—C键长比较接近，积炭成核不会带来太大的张力效应，导致镍基催化剂表面比较容易积炭[36]；另外，由于DRE 反应为高温吸热反应，活性组分不可避免地会发生烧结。因此，虽然非贵金属Ni基催化剂廉价易得，但其抗积炭和抗烧结性能较差[37]。

图4 负载型单金属催化剂DRE的反应性能[17,31]以及载体酸碱性对Ni基催化剂性能的影响[35]Fig.4 The catalytic performance of DRE on supported single-metal catalyst[17,31]and influence of support acidity and alkalinity on performance of Ni-based catalyst[35]

添加第二金属对Ni基催化剂进行改性，不仅可以解决Ni 基催化剂积炭和烧结的问题[38-39]，而且可以提高DRE 反应催化活性、选择性以及稳定性。近期相关研究结果见表1。Yan 等[5]使用CeO2负载PtNi 双金属催化剂进行DRE 反应，CO2和C2H6转化率分别为35.8%和28.1%，其活性和稳定性与单金属催化剂相比均有提高[图5(a)]。Pt 对Ni 的电子效应增强了金属载体之间的相互作用，提高催化剂的抗烧结性能；Pt 对Ni 的空间位阻效应，促使Ni 颗粒尺寸明显减小，其暴露的更多的台阶位可以促进碳气化反应，提高了催化剂的抗积炭性能，从而提高催化稳定性能[41-42]。更进一步，Kattel 等[15]在PtNi(111)模型上对C—H 和C—C 键断裂的机理进行研究，密度泛函理论(DFT)计算结果表明PtNi(111)表面对乙烷氧化C—C 键断裂的选择性是通过促进关键的*C2HyO 中间体的形成而提高的。除NiPt 双金属催化剂之外，Yan 等[40]采用浸渍法制备了四种不同比例的CeO2负载NiFe双金属催化剂，其脱氢选择性在40%～83%之间[图5(b)]。NiFe/CeO2催化剂上存在两种氧物种：FeOx提供的弱亲电氧物种参与C2H4的生成，而CeO2载体提供的强亲电氧物种参与CO的生成。其中，FeOx的含量是影响CO 选择性的关键因素[28]。因此，第二金属的添加不仅会对Ni 基催化剂产生几何效应，提高活性组分的分散度；而且第二金属的添加还会对催化剂的电子环境和配位环境产生影响，改变反应物的吸附能力和活性中间体的类型，进而影响反应的进行[43]，使得双金属催化剂往往比单金属表现出更强的反应活性和产物选择性[5,41,43-44]。

图5 负载型双金属催化剂对DRE反应的催化性能[5,40]Fig.5 The catalytic performance of supported bimetallic catalysts for DRE reaction[5,40]

表1 典型乙烷干重整双金属催化剂研究进展Table 1 Research progress of typical bimetallic catalysts for DRE

2.2 载体对催化性能的影响

针对DRE 反应普遍存在的烧结和积炭问题，载体中富含氧空位可以促进CO2吸附活化产生活性氧物种，从而促进反应过程中解离生成的碳物种的气化，提高催化剂的抗积炭性能[12,45]；也可以对金属活性中心起到分散锚定作用，从而提高催化剂的抗烧结性能。此外，通过金属-载体相互作用，氧化物载体还会对活性位点的电子和几何性质产生较大影响[6,27,38,46-47]。多项研究表明，富含氧空位的CeO2载体催化剂有良好的催化效果[48]。Iwasaki 等[49]评价了不同载体（Y2O3、CeO2、ZrO2、La2O3、SiO2、Al2O3、TiO2和MgO）负载Co 催化剂的乙烷干重整性能，证实了CeO2高的催化性能和良好的抗积炭性能，其源于CeO2易于变价产生氧空位，促进CO2的吸附和活化产生活性氧物种，从而促进碳气化反应，提高催化剂的抗积炭性能。Liu 等[50]考察了CeO2改性Ni 基催化剂的催化性能，该催化剂较好的抗烧结、抗积炭性能与稳定性是源于Ni 和Ce 之间良好的金属分散性、Ni 和Ce 之间的强相互作用以及Ni-CeO2-x固溶体的形成对活性金属镍起到锚定作用。

载体的酸碱性也会影响催化反应的进行，其机理如图6 所示。酸性中心促进烷烃裂解，碱性中心加速碳气化反应和催化表面氧化。然而，催化剂酸性中心上的C2H4裂解是DRE 反应过程中积炭的主要原因[51-52]，因此积炭也会随着酸性中心的增加而增加[53]。Kim 等[35]考察了不同酸碱性质载体（γ-Al2O3、MgAl2O4、MgO）负载的Ni 基催化剂的催化作用[图4(c)]，其中富含酸性位点的Al2O3载体负载的Ni 基催化剂在1073 K 时产生大量积炭、迅速失活，而其他催化剂表现出较高的催化活性且十分稳定。结焦/除焦实验进一步证明其失活原因是载体酸性中心会促使积炭形成。因此，在设计DRE 反应催化剂时，酸性和碱性中心的均匀分布是稳定反应的重要因素[47]。

图6 载体酸碱性对乙烷干重整反应的影响[35]Fig.6 The influence of carrier acidity and alkalinity on DRE reaction[35]

3 乙烷氧化脱氢催化剂研究进展

近年来，国内外研究人员从宏观尺度到微观尺度都对CO2-ODH 催化剂的催化机理与构效关系开展了大量的研究工作，相继开发出了金属氧化物催化剂和Mo2C 催化剂用于CO2-ODH 反应，典型催化剂性能结果见表2。

表2 CO2-ODH反应催化剂性能Table 2 Performance of CO2-ODH catalysts

金属氧化物催化剂的研究主要集中在铬基、钒基催化剂上，但由于铬基催化剂和钒基催化剂都具有一定的生物毒性，会对环境和人类健康造成一定危害。也有学者针对铁基[58]、钴基[59]、铱基[22]催化剂等低毒或不易被人体吸收的催化剂开展研究。为使CO2-ODH催化剂能更好兼顾活性、烯烃产物选择性与稳定性三方面的需求，国内外学者在催化剂设计和改性方面进行了大量尝试，常见的思路主要包括调节金属与载体之间的相互作用、调控载体的酸碱性、调控催化剂表面氧物种以及提高催化剂的氧移动能力等。

调控金属与载体间相互作用的实质是通过电子效应改变金属氧化物的氧化还原性质。通过改变活性金属负载量，可以实现调控金属与载体之间的相互作用。Koirala 等[59]研究了CoOx/SiO2催化剂Co 的负载量与催化剂性能之间的关联，结果如图7所示。当Co 的负载量小于催化剂总质量的1%时，高度分散的Co2+活性位点与SiO2载体之间形成了强的金属键合作用，使得催化剂的稳定性大幅提升。而当Co的负载量继续上升时会形成CoOx团簇，使催化剂活性下降且更易于发生烧结失活。

图7 Co负载量对CoOx/SiO2催化剂性能的影响[59]Fig.7 The effect of Co loading on the performance of CoOx/SiO2[59]

与DRE 反应类似，在CO2-ODH 中载体的酸碱性也会对CO2分子的活化[22]和C2H6分子在催化剂表面的吸附[60]起重要的作用。一般而言，载体酸性越强，催化剂CO2-ODH活性越高。但载体酸性过强时容易导致反应生成的中间产物脱附困难，从而降低了乙烯的选择性[61]。此外，载体酸性（酸性位点的强度和密度）对于抑制CO2-ODH过程中的积炭失活同样具有很重要的作用。

如前所述，亲电氧物种与亲核氧物种的比例对CO2-ODH 反应的选择性和活性至关重要。其中，亲电氧物种活性更强，但更易导致乙烷深度氧化，促使C—C 键断裂。表面氧物种调控策略主要有两种：第一种是增大亲电氧物种之间的间距。Zhou等[62]通过硫酸盐改性产生空间位阻效应，有效增大NiAl 混合氧化物表面亲电氧物种之间的间距，结果发现产物中乙烯的选择性显著提升。这是由于间距较大的亲电氧物种对乙烷的吸附作用减弱，只能断裂乙烷的C—H 键，从而实现乙烯的高选择性合成。第二种是减少亲电氧物种的数量。Zhu 等[63]通过在NiO催化剂中掺杂金属原子（如Sn、Ti等），有效地减少了晶格氧物种对应的空穴数量，从而避免了亲电氧物种的形成。催化剂的活性位点又得以更充分暴露，从而提高了乙烯的产率。

通过提高催化剂的氧迁移率，可以更充分活化CO2产生吸附氧物种，促进碳气化反应速率，从而提高催化剂的稳定性能。CeO2以其强的氧迁移率与氧储存能力被广泛应用于CO2-ODH 反应。提高催化剂氧迁移率的方法主要包括两种：第一种是调整载体形貌，使得暴露的晶面有所不同，从而造成了不同的氧还原能力，进而提高氧迁移率。Lei等[64]调控CeO2载体为棒状使其暴露更多活性的（110）晶面，其负载的Au催化剂相比于纳米颗粒表现出更高的活性和乙烯收率。第二种方法是设计催化剂的缺陷促进CO2分子的活化。掺杂金属原子、纳米结构、金属-氧化物界面的创建以及热处理是四种主要产生缺陷位点的方法[65]。

金属氧化物催化剂的催化机理可分为氧化还原过程协同耦合机理和乙烷直接脱氢与逆水煤气变换反应耦合机理两大类。氧化还原过程协同耦合机理见图8(a)，乙烷和CO2的活化均在单金属活性位点上进行，以Cr/SiO2催化剂为例[66]，Cr 元素有+3和+6 两种价态，在氧化还原过程中Cr6+能有效地促进C—H 键的活化，并产生还原态的Cr3+，而Cr3+又能将CO2还原为CO，而自身又氧化为Cr6+，从而形成了一次氧化还原循环。其中Cr3+有时也能活化C—H键生成乙烯和H2。对于双金属活性位点而言，以负载在CeO2上的PdFe 双金属催化剂[31]为例，C—H 键活化导致了Pd 金属活性中心由高价氧化态还原为零价状态，并释放出水；Pd 发生还原后，第二个金属活性中心（FeOx）作为氧缓冲剂能将Pd 由零价氧化为高价氧化态，而其自身被还原为Fe。还原后的金属Fe 又将使活化后的CO2发生还原反应，而其自身继续氧化为FeOx。而采用乙烷直接脱氢与逆水煤气变换反应耦合机理时则会进行直接脱氢反应，以加入CaO为助剂的NiO/Al2O3催化剂[67]为例，Ni2+起到了催化乙烷直接脱氢的作用。CaO则提高了催化剂的碱性，促使水煤气可逆变换反应的进行并抑制了催化剂的积炭问题，这种催化剂相较前一种的再生频率会更频繁些，因为直接脱氢反应容易导致积炭的生成[68]。此类催化剂的催化机理如图8(b)所示。

图8 CO2-ODH反应催化剂催化机理示意图[30]Fig.8 The catalytic mechanism of the CO2-ODH catalysts[30]

另外，Mo2C 是另一类用于烷烃脱氢反应[69]和CO2活化[70]的催化剂，然而该类催化剂仍存在活性低、反应条件下稳定性差的缺点。目前文献中关于Mo2C 活性位点结构和催化性能的研究相对匮乏[57]。Porosoff 等[11]通过理论计算研究了Mo2C 的暴露晶面与CO2-ODH 催化性能间的关系，结果表明Mo2C（001）晶面能够保护C—C 键，因而具有较好乙烯产物选择性。这是由于在Mo2C（001）晶面上，OH（O*+H*OH*）及H2O（H*+OH*H2O*）的生成过程都是强吸热的。相比之下，乙烷解离后得到的H更倾向于耦合并以H2形式解吸出来。此外，由于Mo2C 对O 原子有着很强的亲和力，其与O 原子和C原子的键合作用都很强，导致C—O 键更难生成或极易发生断裂。因此，Mo2C（001）晶面更易于使乙烷脱氢成为CH2CH2*活性中间体。

Mo2C 表面的富氧程度对催化剂的活性、选择性和稳定性都有一定影响。一般而言，富氧程度越高，越有利于保护C—C 键，乙烯选择性越高，干重整和积炭副反应越少，但与此同时乙烷的活性也会发生显著下降[11]。助剂的加入对Mo2C 催化剂的性能也有一定影响。Fe 助剂能有效稳定Mo2C 表面的氧物种，提升乙烯选择性，并减少甲烷副产物的生成。但值得注意的是，随着Fe 含量的提升，乙烷转化率也随之下降，C2H4产率最高可达5.5%，对比不加Fe助剂的催化剂提高将近20倍[57]。此外，通过改变载体的种类也可实现Mo2C催化剂的性能调控，例如Mo2C/CeO2催化剂相比Mo2C/γ-Al2O3催化剂的乙烯选择性变差，其原因在于CeO2的存在导致催化剂表面亲电吸附氧物种变多，Mo2C/CeO2催化剂促使乙烷C—C键断裂，导致乙烯选择性降低[71]。

4 结语与展望

在“碳中和、碳达峰”目标的大环境下，以CO2作为氧化剂，与乙烷反应重整制备合成气或氧化脱氢制备烯烃具有广阔的应用前景。两条反应路径之间的差异在于C—C 键和C—H 键的选择性断裂即深度氧化问题。通过热力学分析可以看出，两个反应高温下有利且为共存竞争关系。因此，通过催化剂设计，在高效活化CO2和乙烷的同时调控C—C 键和C—H 键断裂的比例，是实现定向制备合成气或乙烯的关键。目前，干重整和氧化脱氢催化剂均存在选择性低、易烧结、积炭等问题。

现有研究表明，干重整或氧化脱氢催化剂存在共性特点：（1）提高氧迁移率，可有效活化CO2、缓解积炭；（2）酸、碱中心均匀分布能够抑制积炭生成；（3）适当的活性位点间隔可以抑制金属烧结；（4）亲电氧物种与亲核氧物种存在最优比例，提高反应选择性。在CO2-DRE 反应催化剂的设计过程中，贵金属催化剂（如Pt）具有较高的活性和抗积炭性能，但其价格昂贵，需考虑催化剂的回收利用。相比之下，Ni 基催化剂廉价易得，具有潜在的大规模应用前景。对于CO2-ODH反应，目前的研究则集中于金属氧化物催化剂和Mo2C 催化剂两类。根据催化机制的不同，分为氧化还原过程协同耦合机理和乙烷直接脱氢与逆水煤气变换反应耦合机理两大类。

尽管近年来乙烷和CO2的反应研究增多，但文献中催化剂仍存在较大不足，相关的研究尚停留在实验室阶段，未能达到工业应用的要求。乙烷C—H 键和C—C 键选择性断裂是影响反应选择性的关键因素，但其机制尚不明确，原位监测技术（例如原位红外、原位拉曼和原位XRD 等技术）和计算化学的飞速进步有助于厘清乙烷活化反应催化剂的微观结构及演变过程，加强对催化反应相界面结构的研究对理解催化机理、指导反应活性位点设计乃至实际工业应用都具有重要的意义。另外，乙烷和二氧化碳的催化反应为高温吸热反应，存在烧结积炭问题，会导致催化剂失活，失活机理的深入研究也将为催化剂的设计与改性提供更加准确的指导。此外，借助材料的精准合成技术例如原子层沉积等，可以实现原子级精度的活性位点分布调控，将单原子催化等新概念应用于乙烷活化反应中。另外，由于DRE 和ODH 反应的热力学和动力学是有差异的，从双碳的角度看，通过控制供给能源或者改变反应条件可能会实现两者选择性的改变。随着研究的深入，促进乙烷和二氧化碳催化转化实用化和资源化利用，减少温室气体的排放，促进“碳达峰”和“碳中和”战略目标的实现，进而对全人类产生重大而深远的影响。