Electron-Delocalization-Stabilized Photoelectrocatalytic Coupling of Methane by NiO-Polyoxometalate Sub-1 nm Heterostructures

化学 非阻塞I/O 多金属氧酸盐 甲烷氧化偶联 甲烷 催化作用 离域电子 选择性 光化学 异质结 联轴节(管道) 无机化学 化学工程 有机化学 光电子学 材料科学 冶金 工程类
作者
Siyang Nie,Liang Wu,Xun Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (43): 23681-23690 被引量:51
标识
DOI:10.1021/jacs.3c07984
摘要

The oxidative coupling of methane to C2 oxygenates merits great scientific and technological potential yet remains a challenge due to its inferior selectivity. Subnanomaterials (SNMs) with "p-n-p-n"-type heteroconstructions feature enhanced external field coupling properties and tunable electronic structures, serving as promising catalysts for the selective partial oxidation of methane. Here we develop NiO-polyoxometalate (POM) subnanocoils with a thickness of 1.8 nm, showing excellent catalytic activity toward photoelectrochemical coupling of methane into a C2 product under mild conditions (1 bar, 25 °C) with a notable productivity (up to 4.48 mmol gcat-1 h-1) and a high selectivity (>99%). Under photoelectrochemical coupling, C-H bonds can be activated by NiO, and the resulted *COOH intermediates are stabilized by the delocalized electrons in POM clusters. The contiguous active sites of NiO and POM at the molecular level allow the in situ coupling of *COOH into oxalate. This work points out an economic way for the oxidation of methane under mild conditions and may enlighten the design of functional SNMs from fundamental standpoints.
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