Efficient hole abstraction for highly selective oxidative coupling of methane by Au-sputtered TiO2 photocatalysts

甲烷氧化偶联 甲烷 催化作用 选择性 光催化 材料科学 产量(工程) 量子产额 吸附 光化学 分子 接受者 化学工程 化学 物理化学 有机化学 冶金 工程类 物理 荧光 量子力学 凝聚态物理
作者
Xiyi Li,Chao Li,Youxun Xu,Qiong Liu,Mounib Bahri,Liquan Zhang,Nigel D. Browning,Alexander J. Cowan,Junwang Tang
出处
期刊:Nature Energy [Nature Portfolio]
卷期号:8 (9): 1013-1022 被引量:180
标识
DOI:10.1038/s41560-023-01317-5
摘要

Abstract Photocatalytic oxidative coupling of methane (OCM) produces C 2 molecules that can be used as building blocks for synthesis of fuels and chemicals. However, the yield rate and the selectivity of C 2 products are still moderate due to the stable nature of methane molecules. Here we develop a Au nanocluster-loaded TiO 2 photocatalyst by a sputtering approach, achieving a high methane conversion rate of 1.1 mmol h −1 , C 2 selectivity of ~90% and apparent quantum efficiency of 10.3 ± 0.6%. The high C 2 /C 2+ yield rate is on the same order of magnitude as the benchmark thermal catalysts in OCM processes operated at high temperature (>680 °C). Au nanoparticles are shown to prolong TiO 2 photoelectron lifetimes by a factor of 66 for O 2 reduction, together with Au acting as a hole acceptor and catalytic centre to promote methane adsorption, C–H activation and C–C coupling. This work underscores the importance of multifunctional co-catalysts and mechanistic understanding to improve photocatalytic OCM.
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