Electrochemical Oxidation of Methane to Methanol on Electrodeposited Transition Metal Oxides

化学 甲醇 部分氧化 催化作用 无机化学 电催化剂 甲烷 过电位 电化学 过渡金属 甲烷厌氧氧化 合成气 直接甲醇燃料电池 化学工程 有机化学 物理化学 电极 工程类 阳极
作者
Kangze Shen,Simran Kumari,Yu-Chao Huang,Joonbaek Jang,Philippe Sautet,Carlos G. Morales‐Guio
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (12): 6927-6943 被引量:34
标识
DOI:10.1021/jacs.3c00441
摘要

Electrochemical partial oxidation of methane to methanol is a promising approach to the transformation of stranded methane resources into a high-value, easy-to-transport fuel or chemical. Transition metal oxides are potential electrocatalysts for this transformation. However, a comprehensive and systematic study of the dependence of methane activation rates and methanol selectivity on catalyst morphology and experimental operating parameters has not been realized. Here, we describe an electrochemical method for the deposition of a family of thin-film transition metal (oxy)hydroxides as catalysts for the partial oxidation of methane. CoOx, NiOx, MnOx, and CuOx are discovered to be active for the partial oxidation of methane to methanol. Taking CoOx as a prototypical methane partial oxidation electrocatalyst, we systematically study the dependence of activity and methanol selectivity on catalyst film thickness, overpotential, temperature, and electrochemical cell hydrodynamics. Optimal conditions of low catalyst film thickness, intermediate overpotentials, intermediate temperatures, and fast methanol transport are identified to favor methanol selectivity. Through a combination of control experiments and DFT calculations, we show that the oxidized form of the as-deposited (oxy)hydroxide catalyst films are active for the thermal oxidation of methane to methanol even without the application of bias potential, demonstrating that high valence transition metal oxides are intrinsically active for the activation and oxidation of methane to methanol at ambient temperatures. Calculations uncover that electrocatalytic oxidation enables reaching an optimum potential window in which methane activation forming methanol and methanol desorption are both thermodynamically favorable, methanol desorption being favored by competitive adsorption with hydroxide anion.
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