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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