Selective Photocatalytic Aerobic Oxidation of Methane to Methyl Hydroperoxide by ZnO-Loaded Single-Atomic Ruthenium Oxide Catalyst

化学 光催化 催化作用 甲烷 氧化物 甲烷厌氧氧化 光化学 无机化学 有机化学
作者
Hantao Gong,Li Zhang,Caihao Deng,Mingjie Liu,X.L. Liu,Yongkang Huang,Kai Zhou,Peipei He,Jing Li,Yiwen Yang,Liang Wang,Qiwei Yang,Zongbi Bao,Qilong Ren,Ting Tan,Siyu Yao,Zhiguo Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (11): 9134-9146 被引量:30
标识
DOI:10.1021/jacs.4c11685
摘要

Photooxidation of CH4 to value-added chemicals with high selectivity offers a promising pathway to drive the rational utilization of natural gas resources with renewable energy under mild conditions. However, owing to the poor chemoselectivity of reactive oxygen radical formation and consecutive side reactions of primary products, the synthesis of peroxide directly from CH4 oxidation remains challenging. Here, we report single-atom ruthenium oxide-doped ZnO as a highly selective photocatalyst for the aerobic oxidation of CH4 to CH3OOH. Under optimal conditions, the CH3OOH formation rate over Ru1Ox/ZnO reaches 321 μmol gcat–1 h–1 with a high selectivity of 90.9% under simulated solar irradiation. Mechanistic studies reveal that the selective generation of •OOH radicals via oxygen reduction and the ability to prevent secondary side reactions of CH3OOH are the main advantages of Ru1Ox/ZnO, accounting for the remarkable selectivity of CH3OOH from CH4. The single-atom Ru oxide/ZnO catalyst also exhibits remarkable chemoselectivity to alkyl hydroperoxide in the photocatalytic oxidation of low paraffins, which provides a solution to prepare value-added peroxide from a single-step oxidation of hydrocarbon substrates.
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