Nearly 100% selective and visible-light-driven methane conversion to formaldehyde via. single-atom Cu and Wδ+

光化学 Atom(片上系统) 甲烷 甲醛 化学 材料科学 计算机科学 有机化学 嵌入式系统
作者
Lei Luo,Xiaoyu Han,Keran Wang,Youxun Xu,Lunqiao Xiong,Jiani Ma,Zhengxiao Guo,Junwang Tang
出处
期刊:Nature Communications [Nature Portfolio]
卷期号:14 (1) 被引量:85
标识
DOI:10.1038/s41467-023-38334-7
摘要

Direct solar-driven methane (CH4) reforming is highly desirable but challenging, particularly to achieve a value-added product with high selectivity. Here, we identify a synergistic ensemble effect of atomically dispersed copper (Cu) species and partially reduced tungsten (Wδ+), stabilised over an oxygen-vacancy-rich WO3, which enables exceptional photocatalytic CH4 conversion to formaldehyde (HCHO) under visible light, leading to nearly 100% selectivity, a very high yield of 4979.0 μmol·g-1 within 2 h, and the normalised mass activity of 8.5 × 106 μmol·g-1Cu·h-1 of HCHO at ambient temperature. In-situ EPR and XPS analyses indicate that the Cu species serve as the electron acceptor, promoting the photo-induced electron transfer from the conduction band to O2, generating reactive •OOH radicals. In parallel, the adjacent Wδ+ species act as the hole acceptor and the preferred adsorption and activation site of H2O to produce hydroxyl radicals (•OH), and thus activate CH4 to methyl radicals (•CH3). The synergy of the adjacent dual active sites boosts the overall efficiency and selectivity of the conversion process.
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