HighlySelective Methane Photooxidation to Formaldehydeby Constructing Symmetry-Breaking Sites

化学 激进的 光化学 甲醛 甲烷 选择性 甲醇 吸附 碳氢化合物 劈开 电子转移 二氧化钛 无机化学 光催化 有机化学 路易斯酸 硝基甲烷 合成气 解吸
作者
Yuehan Cao,Chuan Huang,Y Y Li,K Q Zheng,Jie Qiu,Yingjie Shuai,Ying Zhou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
标识
DOI:10.1021/jacs.6c06804
摘要

Abstract Solar-driven direct conversion of methane (CH4) and water to formaldehyde (HCHO) offers a sustainable route for hydrocarbon production under mild conditions. However, thermodynamic parallels between HCHO and methanol (CH3OH) formation limit product selectivity. Using titanium dioxide (TiO2), we have engineered symmetry-breaking sites to overcome this constraint. The studies reveal that symmetry-breaking sites generate surface hole-trapping states, enabling rapid hole migration (∼8 ps). This process combines with adsorbed hydroxyl groups to produce hydroxyl radicals (•OH), which cleave titanium–oxygen (Ti–O) bonds in methoxy intermediates. The resulting methoxy radicals (•OCH3) drive a single-step pathway that entirely bypasses CH3OH formation, achieving 93.7% HCHO selectivity with HCHO accounting for 100% of liquid products. In sharp contrast, symmetric sites follow a two-step pathway involving substantial CH3OH coproduction via slower electron transfer (>4 ns), yielding only ∼42.8% HCHO selectivity. This work demonstrates a breakthrough in sustainable HCHO production, with symmetry-breaking site engineering commandeering photoinduced charge dynamics to eliminate selectivity barriers.
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