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Room-Temperature Photooxidation of CH4 to CH3OH with Nearly 100% Selectivity over Hetero-ZnO/Fe2O3 Porous Nanosheets

化学 X射线光电子能谱 吸附 异质结 电子顺磁共振 光化学 选择性 键裂 多孔性 物理化学 化学工程 有机化学 核磁共振 材料科学 催化作用 工程类 物理 光电子学
作者
Kai Zheng,Yang Wu,Juncheng Zhu,Mingyu Wu,Xingchen Jiao,Li Li,Shumin Wang,Minghui Fan,Jun Hu,Wensheng Yan,Junfa Zhu,Yongfu Sun,Yi Xie
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (27): 12357-12366 被引量:160
标识
DOI:10.1021/jacs.2c03866
摘要

The huge challenge for CH4 photooxidation into CH3OH lies in the activation of the inert C-H bond and the inhibition of CH3OH overoxidation. Herein, we design two-dimensional in-plane Z-scheme heterostructures composed of two different metal oxides, with efforts to polarize the symmetrical CH4 molecules and strengthen the O-H bond in CH3OH. As a prototype, we first fabricate ZnO/Fe2O3 porous nanosheets, where high-resolution transmission electron microscopy and in situ X-ray photoelectron spectroscopy affirm their in-plane Z-scheme heterostructure. In situ Fourier transform infrared spectra and in situ electron paramagnetic resonance spectra demonstrate their higher amount of ·CH3 radicals relative to the pristine ZnO porous nanosheets, in which density functional theory calculations validate that the high local charge accumulation on Fe sites lowers the CH4 adsorption energy from 0.14 to 0.06 eV. Moreover, the charge-accumulated Fe sites strengthen the polarity of the O-H bond in CH3OH through transferring electrons to the O atoms, confirmed by the increased barrier from 0.30 to 2.63 eV for *CH3O formation, which inhibits the homolytic O-H bond cleavage and thus suppresses CH3OH overoxidation. Accordingly, the CH3OH selectivity over ZnO/Fe2O3 porous nanosheets reaches up to nearly 100% with an activity of 178.3 μmol-1 gcat-1, outperforming previously reported photocatalysts without adding any oxidants under room temperature and ambient pressure.
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