Regulation of Oxygen Activation Pathways to Optimize Photocatalytic Methane Oxidative Coupling Selectivity

甲烷氧化偶联 选择性 氧化剂 光催化 烷烃 氧气 催化作用 化学 甲烷 光化学 离解(化学) 有机化学
作者
Qian Zhang,Junhui Zhang,Jinni Shen,Dongmiao Li,Jinlin Long,Wenxin Dai,Xuxu Wang,Zizhong Zhang
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:14 (6): 3855-3866 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c06016
摘要

Photocatalytic oxidative coupling of methane (POCM) is a direct way for the methane transformation into ≥C2 alkanes. However, the typical oxygen activation path often leads to the formation of strong oxidizing superoxide radical (O2–) species, which makes the whole reaction face serious selectivity problems. Herein, we constructed N and oxygen vacancy dual active sites on TiO2{001} nanosheets (TiO2–NVo) to regulate the oxygen activation pathway and achieve a high activity and selectivity of photocatalytic OCM. Compared with ordinary Au/TiO2{001} nanosheets, the alkane yields of Au/TiO2–NVo are increased from 16 μmol h–1 to 32 μmol h–1, and the selectivity of alkanes increased from 61% to 93%. The performance is superior when compared with the reported till date in photocatalytic OCM in batch reactors. The superior performance originates from the unique N–Vo dual active sites for synergistically cleaving the detrimental O2– into desirable mono-oxygen active species (O·–) to suppress undesired overoxidation reaction. The formed O·– species from O2– dissociation, in turn, is active for the selective H abstraction of CH4 into •CH3 to improve the subsequent C–C coupling reaction on the Au nanocluster surface. This work provides a new approach of O2 dissociation to address the overoxidation of methane in an aerobic environment for achieving highly selective CH4 conversion.
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