Tailoring Methane Oxidative Coupling Pathways through Cluster-Modified Photocatalysts

化学 激进的 催化作用 甲烷 甲烷氧化偶联 光化学 光催化 选择性 产量(工程) 漫反射红外傅里叶变换 氧气 X射线光电子能谱 吸附 合理设计 甲烷厌氧氧化 多相催化 无机化学 傅里叶变换红外光谱 活性氧 反应中间体 反应机理 选择性催化还原 化学工程 小学(天文学) 反应性(心理学) 金属 活性氧
作者
H. L. Luo,Hui-Li Chai,Fang-yu Cao,Jin-Meng Cai,Jing-Zheng Zhang,Zhao-Yang Wang,Shuang-quan ZANG
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (9): 9860-9869 被引量:3
标识
DOI:10.1021/jacs.5c22091
摘要

Photocatalytic methane coupling represents a promising strategy for the production of valuable C2+ chemicals. Herein, the rational design of an Au24Zn1 nanocluster-embedded ZnO catalyst was demonstrated to enhance photocatalytic performance, and the resultant Au24Zn1/ZnO catalyst exhibited a C2+ selectivity of 93.5% and a yield of 663.1 μmol·gcat–1·h–1 (510.1 mmol·gAu–1·h–1) in a batch reactor. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) and diffuse reflectance infrared Fourier transform spectroscopy–CO adsorption (CO–DRIFTS) revealed that the clusters functioned as hole acceptors, thereby accelerating the separation of photogenerated carriers. Radical experiments and isotope-labeling studies confirmed that the •OH radical derived from water serves as the primary reactive oxygen species responsible for activating methane to •CH3 radicals under the coexistence of H2O and O2, which demonstrates a significant discrepancy compared to the reported photogenerated hole activation pathway. Additionally, the •OOH radical generated via oxygen reduction played a supporting role both in modulating the concentration of •OH radicals and promoting the catalytic cycle. The cooperation contributed to the high yield and excellent selectivity of the C2+ products. This work provides valuable insights into the mechanistic pathway of methane conversion and highlights the potential of metal nanocluster-based materials in photocatalysis.
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