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

激进的 光化学 选择性 甲烷 甲醛 接受者 X射线光电子能谱 产量(工程) 化学 光催化 电子顺磁共振 材料科学 催化作用 化学工程 有机化学 冶金 凝聚态物理 工程类 物理 核磁共振
作者
Lei Luo,Xiaoyu Han,Keran Wang,Youxun Xu,Lunqiao Xiong,Jiani Ma,Zhengxiao Guo,Junwang Tang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:14 (1) 被引量:41
标识
DOI:10.1038/s41467-023-38334-7
摘要

Abstract Direct solar-driven methane (CH 4 ) 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 (W δ+ ), stabilised over an oxygen-vacancy-rich WO 3 , which enables exceptional photocatalytic CH 4 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 × 10 6 μmol·g -1 Cu ·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 O 2 , generating reactive •OOH radicals. In parallel, the adjacent W δ+ species act as the hole acceptor and the preferred adsorption and activation site of H 2 O to produce hydroxyl radicals (•OH), and thus activate CH 4 to methyl radicals (•CH 3 ). The synergy of the adjacent dual active sites boosts the overall efficiency and selectivity of the conversion process.
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