Near‐100% Selective Photocatalytic Methane‐to‐Methanol Conversion Enabled by Synergistic Chlorine Radicals and Oxygen Vacancies

激进的 化学 光催化 光化学 催化作用 选择性 产量(工程) 氧气 甲醇 甲烷 氧化还原 过氧化物 解耦(概率) 反应中间体 无机化学 选择性还原 单线态氧 反应机理 双金属 氧合物 甲烷厌氧氧化 工作(物理)
作者
Guang‐Xing Dong,Min Zhang,Ting Zheng,You‐Xiang Feng,Meng‐Ran Zhang,Su‐Xian Yuan,L Zhang,Tong‐Bu Lu,Lianqi Zhang,Tong‐Bu Lu
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:: e3983956-e3983956
标识
DOI:10.1002/anie.3983956
摘要

ABSTRACT The selective photocatalytic conversion of methane to a single product is a grand challenge, primarily due to uncontrollable over‐oxidation and inefficient reduction. Herein, we pioneer a radical/active‐site synergistic strategy to steer the reaction pathway exclusively toward methanol. This is realized by a dual‐functional Cl─TiO 2 ‐OV catalyst that integrates chlorine modification and oxygen vacancy (OV) engineering. Crucially, surface chlorine redirects the oxidation route: instead of generating non‐selective •OH radicals from H 2 O, photogenerated holes preferentially drive a Cl − /Cl• cycle. The resulting Cl• radicals activate the C─H bond of CH 4 to form •CH 3 , which combines with O 2 to yield the CH 3 OOH intermediate. Simultaneously, the engineered OV sites act as electron‐rich centers that efficiently reduce CH 3 OOH to CH 3 OH. This decoupling of selective oxidation (via Cl•) and efficient reduction (via OVs) suppresses all side‐reactions, delivering methanol with nearly 100% selectivity and a yield of 1242 µmol g −1 . In contrast, TiO 2 ‐OV suffers from •OH‐mediated sequential oxidation to HCHO/CO 2 , and Cl─TiO 2 lacks sufficient reduction power, resulting in a CH 3 OOH/CH 3 OH mixture. This work not only offers an effective approach for highly selective photocatalytic methane conversion but also deepens mechanistic insight into radical/active‐site cooperativity in synergistic catalysis.
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