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A semiconducting hybrid of RhOx/GaN@InGaN for simultaneous activation of methane and water toward syngas by photocatalysis

合成气 甲烷 光催化 化学工程 材料科学 催化作用 蒸汽重整 化学 制氢 有机化学 工程类
作者
Dongke Li,Zewen Wu,Yixin Li,Xiaoxing Fan,S M Najib Hasan,Shamsul Arafin,Md. Afjalur Rahman,Jinglin Li,Zhouzhou Wang,Tianqi Yu,Xianghua Kong,Lei Zhu,Sharif Md. Sadaf,Baowen Zhou
出处
期刊:PNAS nexus [Oxford University Press]
卷期号:2 (11) 被引量:3
标识
DOI:10.1093/pnasnexus/pgad347
摘要

Prior to the eventual arrival of carbon neutrality, solar-driven syngas production from methane steam reforming presents a promising approach to produce transportation fuels and chemicals. Simultaneous activation of the two reactants, i.e. methane and water, with notable geometric and polar discrepancy is at the crux of this important subject yet greatly challenging. This work explores an exceptional semiconducting hybrid of RhOx/GaN@InGaN nanowires for overcoming this critical challenge to achieve efficient syngas generation from methane steam reforming by photocatalysis. By coordinating density functional theoretical calculations and microscopic characterizations, with in situ spectroscopic measurements, it is found that the multifunctional RhOx/GaN interface is effective for simultaneously activating both CH4 and H2O by stretching the C-H and O-H bonds because of its unique Lewis acid/base attribute. With the aid of energetic charge carriers, the stretched C-H and O-H bonds of reactants are favorably cleaved, resulting in the key intermediates, i.e. *CH3, *OH, and *H, to sit on Rh sites, Rh sites, and N sites, respectively. Syngas is subsequently produced via energetically favored pathway without additional energy inputs except for light. As a result, a benchmarking syngas formation rate of 8.1 mol·gcat-1·h-1 is achieved with varied H2/CO ratios from 2.4 to 0.8 under concentrated light illumination of 6.3 W·cm-2, enabling the achievement of a superior turnover number of 10,493 mol syngas per mol Rh species over 300 min of long-term operation. This work presents a promising strategy for green syngas production from methane steam reforming by utilizing unlimited solar energy.
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