Elevating Photooxidation of Methane to Formaldehyde via TiO2 Crystal Phase Engineering

化学 甲烷 锐钛矿 光催化 催化作用 甲醛 选择性 化学工程 甲醇 化学反应工程 光化学 有机化学 工程类
作者
Yuheng Jiang,Wenshi Zhao,Siyang Li,Shikun Wang,Yingying Fan,Fei Wang,Xueying Qiu,Yanfei Zhu,Yin Zhang,Chang Long,Zhiyong Tang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (35): 15977-15987 被引量:159
标识
DOI:10.1021/jacs.2c04884
摘要

Photocatalytic conversion of methane to value-added products under mild conditions, which represents a long sought-after goal for industrial sustainable production, remains extremely challenging to afford high production and selectivity using cheap catalysts. Herein, we present the crystal phase engineering of commercially available anatase TiO2 via simple thermal annealing to optimize the structure-property correlation. A biphase catalyst with anatase (90%) and rutile (10%) TiO2 with the optimal phase interface concentration exhibits exceptional performance in the oxidation of methane to formaldehyde under the reaction conditions of water solvent, oxygen atmosphere, and full-spectrum light irradiation. An unprecedented production of 24.27 mmol gcat-1 with an excellent selectivity of 97.4% toward formaldehyde is acquired at room temperature after a 3 h reaction. Both experimental results and theoretical calculations disclose that the crystal phase engineering of TiO2 lengthens the lifetime of photogenerated carriers and favors the formation of intermediate methanol species, thus maximizing the efficiency and selectivity in the aerobic oxidation of methane to formaldehyde. More importantly, the feasibility of the scale-up production of formaldehyde is demonstrated by inventing a "pause-flow" reactor. This work opens the avenue toward industrial methane transformation in a sustainable and economical way.
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