Oxygen Vacancy-Rich TiO2 as an Efficient Non-noble Metal Catalyst toward Mild Oxidation of Methane Using Hydrogen Peroxide as the Oxidant

催化作用 化学 激进的 光化学 羟基自由基 纳米棒 贵金属 甲醇 过氧化氢 无机化学 氧合物 甲烷 氧气 水溶液 有机化学 材料科学 纳米技术
作者
Haibin Yin,Zhengtian Pu,Jiawei Xue,Peiyu Ma,Bo Wu,Mei Han,Hongfei Lin,Zhengtang Luo,Jie Zeng,Xinlong Ma,Hongliang Li
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:13 (11): 7608-7615 被引量:31
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c00986
摘要

Direct functionalization of methane remains a key challenge, especially for using non-noble metal catalysts. We demonstrated that TiO2 nanorods with abundant oxygen vacancies enabled mild oxidation of methane by H2O2 into formaldehyde (HCHO) without light irradiation. The activity of TiO2 nanorods with the concentration gradient of oxygen vacancies (VO) increased with the VO concentration. In H2O2 aqueous solution under 30 bar of CH4 at 70 °C for 1 h, the TiO2 nanorods with the most abundant VO exhibited a total oxygenate yield of 40.80 μmol, among which the selectivity for HCHO was 64.1%. On the basis of the catalytic and spectroscopic data, we identified the reaction intermediates and accordingly mapped the reaction scheme. Specifically, H2O2 is activated on Ti atoms near VO to form surface peroxo intermediates, followed by the activation of CH4 to produce methoxy groups. The methoxy group can react either with water to form methanol or with hydroxyl radicals to form CH3OOH. Methanol is attacked by hydroxyl radicals and dehydrated to form •CH2OH that further reacts with hydroxyl radicals and is dehydrated to HCHO. CH3OOH directly undergoes dehydration to engender HCHO.
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