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Breaking the Activity–Selectivity Trade-off for CH4-to-C2H6 Photoconversion

选择性 化学 立体化学 结晶学 催化作用 有机化学
作者
Kai Zheng,Mingyu Wu,Juncheng Zhu,Wei Zhang,Siying Liu,Xiaojing Zhang,Yang Jie Wu,Li Li,Bangwang Li,Wenxiu Liu,Jun Hu,Chengyuan Liu,Junfa Zhu,Yang Pan,Meng Ran Zhou,Yongfu Sun,Yi Xie
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (17): 12233-12242 被引量:56
标识
DOI:10.1021/jacs.4c03546
摘要

Photocatalytic conversion of methane (CH 4 ) to ethane (C 2 H 6 ) has attracted extensive attention from academia and industry. Typically, the traditional oxidative coupling of CH 4 (OCM) reaches a high C 2 H 6 productivity, yet the inevitable overoxidation limits the target product selectivity. Although the traditional nonoxidative coupling of CH 4 (NOCM) can improve the product selectivity, it still encounters unsatisfied activity, arising from being thermodynamically unfavorable. To break the activity–selectivity trade-off, we propose a conceptually new mechanism of H 2 O 2 -triggered CH 4 coupling, where the H 2 O 2 -derived ·OH radicals are rapidly consumed for activating CH 4 into ·CH 3 radicals exothermically, which bypasses the endothermic steps of the direct CH 4 activation by photoholes and the interaction between ·CH 3 and ·OH radicals, affirmed by in situ characterization techniques, femtosecond transient absorption spectroscopy, and density-functional theory calculation. By this pathway, the designed Au-WO 3 nanosheets achieve unprecedented C 2 H 6 productivity of 76.3 mol mol Au –1 h –1 with 95.2% selectivity, and TON of 1542.7 (TOF = 77.1 h –1 ) in a self-designed flow reactor, outperforming previously reported photocatalysts regardless of OCM and NOCM pathways. Also, under outdoor natural sunlight irradiation, the Au-WO 3 nanosheets exhibit similar activity and selectivity toward C 2 H 6 production, showing the possibility for practical applications. Interestingly, this strategy can be applied to other various photocatalysts (Au-WO 3, Au-TiO 2, Au-CeO 2, Pd-WO 3, and Ag-WO 3 ), showing a certain universality. It is expected that the proposed mechanism adds another layer to our understanding of CH 4 -to-C 2 H 6 conversion.
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