Dual‐Gas Activation Nanodomains Enable Solar‐Powered Selective Methane Conversion

甲烷 材料科学 甲醛 纳米团簇 化学工程 格式化 氧气 氧化物 光化学 流出物 多孔性 甲醇 催化作用 无机化学 甲酸甲酯 激进的 石墨烯 功率密度 甲烷厌氧氧化 纳米技术 光催化 碳氢化合物 工作(物理) 活化能 乙苯 析氧
作者
Xiaoxin Liu,Yunru Ma,Yaoguo Wang,Lifang Gao,Lei Du,Yuheng Jiang,Li Niu,Yingying Fan,Zhiyong Tang
出处
期刊:Advanced Materials [Wiley]
卷期号:38 (15): e21696-e21696 被引量:5
标识
DOI:10.1002/adma.202521696
摘要

ABSTRACT Photocatalytic oxidation of methane to formaldehyde at concentrations compatible with direct fuel‐cell use remains a critical yet unmet challenge. Here we introduce a “dual‐gas coadsorption domain” architecture discovered through a high‐throughput screen of 37 earth‐abundant transition metals and their oxides. Reduced nickel oxide (NiO 1‐x ) emerged as the optimal co‐catalyst, decorating the pore edges of vacancy‐rich porous ZnO (pZnO). Oxygen vacancies in pZnO act as oxygen pumps, while adjacent NiO 1‐x nanoclusters chemisorb and polarize methane, lowering the C‐H activation barrier and steering the radical cascade toward methyl hydroperoxide instead of methanol. Methyl hydroperoxide quantitatively decomposes to formaldehyde, delivering 28.5 mmol g −1 (3 mM in solution, 88.5% selectivity). An outdoor reactor powered only by natural sunlight (peak 72.8 mW cm −2 ) produced 12.3 mmol g −1 formaldehyde in 6 h without detectable by‐products. The concentrated effluent feeds an alkaline formaldehyde fuel cell directly—no purification—co‐generating 0.2 kWh of electricity and valuable formate at a peak power density of 32.6 mW cm −2 . The work establishes a scalable, solar‐driven pathway for simultaneous methane valorization and on‐site energy conversion.
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