Unusual facet and co-catalyst effects in TiO2-based photocatalytic coupling of methane

光催化 锐钛矿 催化作用 甲烷 纳米材料基催化剂 激进的 甲烷氧化偶联 材料科学 光化学 多相催化 吸附 化学工程 化学 有机化学 工程类
作者
Huizhen Zhang,Pengfei Sun,Xiaozhen Fei,Xuejiao Wu,Zongyi Huang,Wanfu Zhong,Qiaobin Gong,Zheng Yan-ping,Qinghong Zhang,Shunji Xie,Gang Fu,Ye Wang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:15 (1) 被引量:3
标识
DOI:10.1038/s41467-024-48866-1
摘要

Abstract Photocatalytic coupling of methane to ethane and ethylene (C 2 compounds) offers a promising approach to utilizing the abundant methane resource. However, the state-of-the-art photocatalysts usually suffer from very limited C 2 formation rates. Here, we report our discovery that the anatase TiO 2 nanocrystals mainly exposing {101} facets, which are generally considered less active in photocatalysis, demonstrate surprisingly better performances than those exposing the high-energy {001} facet. The palladium co-catalyst plays a pivotal role and the Pd 2+ site on co-catalyst accounts for the selective C 2 formation. We unveil that the anatase {101} facet favors the formation of hydroxyl radicals in aqueous phase near the surface, where they activate methane molecules into methyl radicals, and the Pd 2+ site participates in facilitating the adsorption and coupling of methyl radicals. This work provides a strategy to design efficient nanocatalysts for selective photocatalytic methane coupling by reaction-space separation to optimize heterogeneous-homogeneous reactions at solid-liquid interfaces.
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