In Situ Generated Asymmetric Charge‐Polarized Pd δ− ‐O δ− ‐Zn Sites for Highly Selective Photocatalytic Oxidation of Methane to Formaldehyde

脱氢 选择性 材料科学 光化学 光催化 甲醛 催化作用 甲烷 产量(工程) 原位 氧合物 惰性 合理设计 双键 能量转换效率 化学工程 反应机理 反应中间体 三键 工作(物理) 密度泛函理论 氧化还原 组合化学
作者
Shixuan Yu,Xiao Jiang,Xinyong Li,Huimin Zhao,Xinyong Li
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
标识
DOI:10.1002/adfm.78558
摘要

ABSTRACT Direct conversion of CH 4 into liquid oxygenates remains a great challenge due to the inert C─H bond and the difficulty in achieving unity selectivity toward C1 liquid oxygenates. Current photocatalytic systems mainly focus on C─H activation, while the continuous conversion of oxygenated intermediates toward desired products is rarely addressed. Herein, we propose a mechanism mediated by electronically asymmetric and polarized interfacial Pd‐O‐Zn sites (Pd δ− ‐O δ− ‐Zn) that inhibit the reverse hydrogenation of methoxy ( * OCH 3 ) intermediates, thereby enabling highly efficient direct conversion of CH 4 to HCHO. In situ spectroscopic characterizations combined with DFT calculations uncovered that, compared with Pd NPs‐ZnO, the construction of Pd δ− ‐O δ− ‐Zn sites significantly lowers the C─H bond activation barrier of CH 4 (from 0.08 to −0.1 eV). Meanwhile, the strong Pd d‐O p orbital interactions facilitate CH 3 OH dehydrogenation to form * OCH 3 intermediates. More encouragingly, these Pd δ− ‐O δ− ‐Zn sites effectively promote * OCH 3 dehydrogenation to HCHO, thereby suppressing the reverse hydrogenation pathway that regenerates CH 3 OH. As a result, PdZn‐ZnO delivers an excellent HCHO yield of 8320.5 µmol·g −1 h −1 with a selectivity of 91.6% at room temperature. This work provides a novel strategy for the rational design of high‐performance photocatalysts for the highly selective conversion of CH 4 into HCHO.

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