Coverage-Dependent Selective Conversion of Methane into Value-Added Ethane over Noble-Metal-Free Ni1-CeO2 Photocatalyst

化学 贵金属 甲烷 光催化 催化作用 价值(数学) 金属 无机化学 有机化学 机器学习 计算机科学
作者
Lei Luo,Rong Wang,Tieou Wang,Jiangnan Li,Yejun Xiao,Kun Qi,Xiangyang Guo,Zhaochi Feng,Junwang Tang,Fuxiang Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.5c04676
摘要

Direct methane conversion to value-added chemicals under mild conditions presents a promising route toward net-zero carbon emissions. However, this process encounters significant challenges in efficiently activating inert C-H bonds and preventing excessive oxidation to CO2. Herein, we propose a coverage-dependent strategy that leverages the correlation between methane coverage and C-C coupling selectivity, thereby enhancing both the activity and selectivity. By tuning the Lewis acidity of a well-defined atomic 3d transition metal-modified ceria, from weak to moderate, it boosts methane adsorption capacity and promotes its dissociative activation. Additionally, incorporating a nickel cocatalyst improves the charge separation through efficient hole extraction. The optimal noble-metal-free catalyst (Ni1-CeO2) delivers exceptional room-temperature performance, achieving a production rate of 243 μmol·g-1·h-1 with approximately 90% ethane selectivity over an ultralong test (>350 h), outperforming previously reported noble-metal-free catalysts. This work provides new insights into selectivity regulation via optimization of chemisorbed methane coverage and paves the way for the design of advanced noble-metal-free catalysts.
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