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Enabling Specific Photocatalytic Methane Oxidation by Controlling Free Radical Type

化学 选择性 光催化 激进的 氧合物 催化作用 光化学 产量(工程) 甲烷 纳米颗粒 商品化学品 化学工程 有机化学 工程类 冶金 材料科学
作者
Yuheng Jiang,Siyang Li,Shikun Wang,Yin Zhang,Chang Long,Jun Xie,Xiaoyu Fan,Wenshi Zhao,Peng Xu,Yingying Fan,Chunhua Cui,Zhiyong Tang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (4): 2698-2707 被引量:159
标识
DOI:10.1021/jacs.2c13313
摘要

Selective CH4 oxidation to CH3OH or HCHO with O2 in H2O under mild conditions provides a desired sustainable pathway for synthesis of commodity chemicals. However, manipulating reaction selectivity while maintaining high productivity remains a huge challenge due to the difficulty in the kinetic control of the formation of a desired oxygenate against its overoxidation. Here, we propose a highly efficient strategy, based on the precise control of the type of as-formed radicals by rational design on photocatalysts, to achieve both high selectivity and high productivity of CH3OH and HCHO in CH4 photooxidation for the first time. Through tuning the band structure and the size of active sites (i.e., single atoms or nanoparticles) in our Au/In2O3 catalyst, we show alternative formation of two important radicals, •OOH and •OH, which leads to distinctly different reaction paths to the formation of CH3OH and HCHO, respectively. This approach gives rise to a remarkable HCHO selectivity and yield of 97.62% and 6.09 mmol g-1 on In2O3-supported Au single atoms (Au1/In2O3) and an exceptional CH3OH selectivity and yield of 89.42% and 5.95 mmol g-1 on In2O3-supported Au nanoparticles (AuNPs/In2O3), respectively, upon photocatalytic CH4 oxidation for 3 h at room temperature. This work opens a new avenue toward efficient and selective CH4 oxidation by delicate design of composite photocatalysts.
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