High‐Selectivity Tandem Photocatalytic Methanation of CO2 by Lacunary Polyoxometalates‐Stabilized *CO Intermediate

缺函数 选择性 光催化 串联 产量(工程) 催化作用 化学 光化学 电子转移 甲烷化 材料科学 有机化学 数学 纯数学 复合材料 冶金
作者
Qian Zhu,Zhaohui Li,Tao Zheng,Xingxing Zheng,Si Liu,Shen Gao,Xionghui Fu,Xiaofang Su,Yi Zhu,Yuanming Zhang,Yongge Wei
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202413594
摘要

Stabilizing specific intermediates to produce CH4 remains a main challenge in solar‐driven CO2 reduction. Herein, g‐C3N4 is modified with saturated and lacunary phosphotungstates (PWx, x = 12, 11, 9) to tailor the CO2 reduction pathway to yield CH4 in high selectivity. Increased lacuna of phosphotungstates leads to higher CH4 yield and selectivity, with a superior CH4 selectivity of 80% and 40.8 μmol·g‐1·h‐1 evolution rate for PW9/g‐C3N4. Conversely, g‐C3N4 and PWx alone show negligible CH4 production. The conversion of CO2 to CH4 follows a tandem catalytic process. CO2 is initially activated on g‐C3N4 to form *CO intermediates, meanwhile photogenerated electrons derived from g‐C3N4 transfer to PWx. Then the reduced PWx captures *CO, which is subsquently hydrogenated to CH4. With the injection of two photogenerated electrons, PW9 is capable of adsorbing and activating *CO. However, the reduced PW12 and PW11 are incapable of adsorbing *CO due to the small energy of occupied molecular orbitals, which is the reason for the poorer activity of PWx/g‐C3N4 (x = 12, 11) compared with that of PW9/g‐C3N4. This work provides new insights to regulate highly selective CO2 photoreduction to CH4 by utilizing lacuna of polyoxometalates to enhance the interaction of metals in polyoxometalates with key intermediates.
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