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Switching Photocatalytic Methane Oxidation Toward Ethanol by Tuning Spin States

光催化 甲烷 光化学 乙醇 甲烷厌氧氧化 化学 自旋(空气动力学) 材料科学 化学工程 催化作用 有机化学 物理 热力学 工程类
作者
Shuya Hao,Maoyin Wang,Lu Zhang,Ximeng Lv,Peng Chen,Yuhang Huang,Pei Yuan,Qing Han,Gengfeng Zheng
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:137 (34) 被引量:1
标识
DOI:10.1002/ange.202510241
摘要

Abstract The selective oxidation of methane (CH 4 ) has attractive potentials for mitigating global warming and producing value‐added chemicals, whereas the efficient generation of multicarbon products such as ethanol remains challenging, due to the short lifetimes and high unpaired concentrations of reactive intermediates (like •OH, •CH 3 , •OCH 3 , and •CH 2 OH). Herein, we developed a medium‐spin Zn–O–Fe(MS) catalyst with tunable Fe(III) spin states, which can efficiently photo‐oxidize CH 4 to ethanol at ambient conditions. The unpaired electrons in d orbitals of Fe sites allow for efficient adsorption of •OH, and the e g orbital occupancy enables stabilizing different key carbon‐containing intermediates (•OCH 3 versus •CH 2 OH). By balancing those two descriptors, the medium‐spin Zn–O–Fe(MS) catalyst allows to achieve selective generation of •CH 2 OH intermediates with a moderate *OH coverage and subsequent coupling of •CH 3 and •CH 2 OH to ethanol. With a light intensity of 100 mW·cm −2 and water as a weak oxidant, the Zn–O–Fe(MS) catalyst exhibited a peak photocatalytic CH 4 ‐to‐ethanol yield of 372 µmol·g −1 ·h −1 without the use of photosensitizers or sacrificial reagents, which is ∼3 times higher than the previously best reported photocatalytic CH 4 oxidation to ethanol under similar conditions. Our study suggests an attractive potential of converting CH 4 to multicarbon products by modulating spin states of the catalytic sites.
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