Nano Res.[催化]│朴玲钰课题组:高选择性光催化甲烷氧化制甲基过氧化氢
背景介绍
甲烷(CH4)仅含有碳和氢元素,热值高,储量丰富,是一种极具潜力的清洁能源。同时CH4的温室效应是二氧化碳(CO2)的25倍。将CH4直接转化为高附加值产品既经济又环保,基于其转化的重要意义与困难程度,CH4转化一直被认为是催化领域的“圣杯”。在热催化CH4转化领域已经实现了较低温度下CH4的催化转化,但催化剂的稳定性和产物的选择性不容乐观。光催化利用光子代替高温高压,可以在温和条件下驱动CH4选择性转化为甲醇(CH3OH)、甲醛(HCHO)或甲酸(HCOOH)等提供了另一种途径。
甲基过氧化氢(CH3OOH)是最简单的有机过氧化物,是羟基自由基的主要储存库,一直被认为是一种具有重要价值的化学品。此外,大量的理论计算和实验证明,CH3OOH是一种必需的中间体,可以经其还原转化为CH3OH。因此,低成本生产高纯度CH3OOH的方法具有重要的研究和应用意义。
研究方法
该文报道了一种经济的、高选择性的(100%)使用板钛矿TiO2作为光催化剂将CH4转化为CH3OOH的方法。文章不使用任何助催化剂,在常温常压、纯板钛矿TiO2催化剂上进行反应,制取CH3OOH的选择性100%,产率可达2050±88 μmol·g-1·h-1 (pH ~7.0),高于目前报道的同类体系的最优值。经过30次循环后,催化体系性能稳定。
成果简介
采用纯介孔板钛矿TiO2光催化剂(无助剂),实现了常温常压下由CH4高选择性制备CH3OOH。该工艺过程同时具备活性高、CH3OOH选择性高、催化剂稳定性好的诸多优势。CH3OOH选择性100%,产率可达2050±88 μ mol·g-1·h-1。该催化剂的稳定反应周期至少可达30次。通过实验和理论计算,系统地阐释了催化体系对单一产物CH3OOH具有高选择性的原因。H2O2易在TiO2表面形成*OOH, CH4可通过光生空穴氧化为•CH3, *OOH与•CH3结合形成能量最有利的CH3OOH。制取的高纯度CH3OOH可以通过简易过程100%还原为CH3OH,有利于实际生产应用。
文章信息
Bo C, Zhang L, Liu X, et al. Highly selective photocatalytic oxidation of methane to methyl hydroperoxide. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6152-6.
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