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Engineering oxygen vacancy in (001)-dominated TiO2 for enhanced CH4 photocatalytic conversion

光催化 空位缺陷 氧气 材料科学 化学工程 工程物理 光电子学 光化学 纳米技术 化学 催化作用 物理 凝聚态物理 工程类 有机化学
作者
Tangtong Ju,Hailong Tang,Meiling Wang,Yongqing Ma,Xiao Sun,Min Wang,Ganhong Zheng,Haibin Tang
出处
期刊:Applied Materials Today [Elsevier BV]
卷期号:29: 101690-101690 被引量:9
标识
DOI:10.1016/j.apmt.2022.101690
摘要

• (001)-dominated ultrathin TiO 2 nanosheets (NSs) with oxygen vacancy were prepared. • The TiO 2 NSs were used for CH 4 photocatalytic conversion with H 2 O 2 as the necessary oxidant. • Oxygen vacancy largely lowered the reaction energy of CH 4 →CH 3 *+ H *. • The highest C1 products yield was 5.95 mmol g −1 h −1 with selectivity of 99.03%. • The yield is comparable to the record using binary/ternary catalysts with metals. Photooxidation of methane to high valued C1 liquid products with both high yield and selectivity against overoxidation has been a huge challenge. In this work, (001)-dominated ultra-thin TiO 2 nanosheets with plenty of oxygen vacancies (O v ) were mass produced by simple hydrothermal and annealing treatments, and used for photocatalytic oxidation of CH 4 into C1 products (mainly HCHO, CH 3 OOH and HCOOH) with H 2 O 2 as the necessary oxidant. For the optimal catalyst with the largest O v ratio, the highest C1 products yield of 5.95 mmol g −1 h −1 was achieved within 2 h, accompanied by a high C1 selectivity of 99.03%, comparable to the current yield record over precious-metal based binary/ternary catalyst. In-situ electron spin resonance, in-situ Fourier Transform Infrared Spectroscopy and mass spectra combined with density functional theory calculations were used for comprehensive clarification of the underlying reaction mechanism. O v on TiO 2 -(001) face largely lowered the energy required for C H bond cleavage of CH 4 , which was the rate-determinate reaction during CH 4 photooxidation. Then formed *CH 3 went through distinct reaction routes of Ti-OOH+Ti-CH 3 →Ti–OCH 3 +Ti-OH→HCHO, thus achieving high yield and selectivity for the main primary product of HCHO (65.7%).
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