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Regulating Reactive Oxygen Species via Orbital Rehybridization between Intermediate and Active Site for Selective Methane Photooxidation to Methanol

反键分子轨道 离解(化学) 选择性 催化作用 化学 活性氧 光化学 氧气 甲烷 轨道能级差 甲醇 分子 电子 物理化学 有机化学 原子轨道 生物化学 物理 量子力学
作者
Yingwei Li,Fangyuan Si,Junxian Bai,Yan Li,Rong Lan,Shijing Cheng,Tingting Hou
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
标识
DOI:10.1002/anie.202505267
摘要

Photocatalytic oxidation of methane (POM) to CH3OH provides a promising pathway for sustainable chemical industry, while uncontrollable generation of reactive oxygen species (ROS) would proceed at the expense of compromised catalytic activity or selectivity of POM. Herein, we precisely control the type of as‐formed ROS by introducing Au SAs on CuOx/ZnO (Au1‐CuOx/ZnO), to simultaneously achieve high selectivity and productivity of CH3OH in POM. In situ characterizations and theoretical calculations revealed that the introduced Au SAs significantly altered the electronic structure of Cu atoms, leading to an energy level rearrangement of Cu 3d orbital and the upshift of d band center, which increased the energy levels of bonding and antibonding states of Au1‐CuOx/ZnO‐*OOH. Thus, the hybridization between Cu active sites and the key intermediate *OOH was significantly enhanced, especially for the orbital hybridizations of dz2‐pz and dxz/dyz‐px. This facilitated the dissociation of O−O to form *OH intermediate rather than the direct desorption of *OOH, thereby ultimately determining the ROS type in aerobic POM. Additionally, the asymmetric electronic structure of Au1‐CuOx/ZnO could also lower the first C−H dissociation energy by structural polarization of CH4. Thus, Au1‐CuOx/ZnO exhibited an excellent CH3OH productivity of 16856 μmol·gcat.−1 with 100% selectivity during POM at mild conditions.

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