Efficient methane oxidation to formaldehyde via photon–phonon cascade catalysis

甲醛 甲烷 光催化 催化作用 选择性 光化学 化学 材料科学 有机化学
作者
Youxun Xu,Chao Wang,Xiyi Li,Lunqiao Xiong,Tianyu Zhang,Liquan Zhang,Qinghua Zhang,Lin Gu,Yang Lan,Junwang Tang
出处
期刊:Nature sustainability [Nature Portfolio]
卷期号:7 (9): 1171-1181 被引量:41
标识
DOI:10.1038/s41893-024-01401-y
摘要

Abstract The oxidation of methane to value-added chemicals provides an opportunity to use this abundant feedstock for sustainable petrochemistry. Unfortunately, such technologies remain insufficiently competitive due to a poor selectivity and a low yield rate for target products. Here we show a photon–phonon-driven cascade reaction that allows for methane conversion to formaldehyde with an unprecedented productivity of 401.5 μmol h −1 (or 40,150 μmol g −1 h −1 ) and a high selectivity of 90.4% at 150 °C. Specifically, with a ZnO catalyst decorated with single Ru atoms, methane first reacts with water to selectively produce methyl hydroperoxide via photocatalysis, followed by a thermodecomposition step yielding formaldehyde. Single Ru atoms, serving as electron acceptors, improve charge separation and promote oxygen reduction in photocatalysis. This reaction route with minimized energy consumption and high efficiency suggests a promising pathway for the sustainable transformation of light alkanes.
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