Facet-Dependent Enhancement in the Activity of Bismuth Vanadate Microcrystals for the Photocatalytic Conversion of Methane to Methanol

光催化 铋 钒酸铋 甲烷 甲醇 选择性 光化学 材料科学 化学 无机化学 有机化学 催化作用
作者
Wenlei Zhu,Meikun Shen,Guozheng Fan,Alicia Yang,James R. Meyer,Yining Ou,Bo Yin,John D. Fortner,Marcus B. Foston,Zhaosheng Li,Zhigang Zou,Bryce Sadtler
出处
期刊:ACS applied nano materials [American Chemical Society]
卷期号:1 (12): 6683-6691 被引量:107
标识
DOI:10.1021/acsanm.8b01490
摘要

Photocatalysis provides a route to convert methane into an energy-dense, liquid fuel, such as methanol, using only natural gas, sunlight, water (or oxygen), and the catalyst. In this report, we compare the photocatalytic activity and selectivity for bismuth vanadate (BiVO 4 ) microcrystals with different morphologies to partially oxidize methane to methanol. Bipyramidal BiVO 4 microcrystals comprising {102} and {012} surface facets were found to be both more active and more selective for methane to methanol conversion compared to platelet microcrystals that expose {001} facets as their top and bottom surface. The selectivity of the bipyramidal BiVO 4 microcrystals for methanol production was over 85% for reaction times between 60 and 120 min with mass activity between 112 and 134 μmol h –1 g –1 during this period. These activities are among the highest reported for photocatalytic methane to methanol conversion using illumination conditions comparable to solar irradiation and without the need for sacrificial reagents. Photochemical deposition of metal salts indicates that photoexcited electrons and holes react selectivity at different facets of the platelet and bipyramidal BiVO 4 microcrystals. Combining the photodeposition results with surface energy calculations, we propose that the high selectivity for methanol observed using bipyramidal BiVO 4 microcrystals arises due to efficient extraction of photoexcited holes from surfaces that have intermediate reactivity for oxidation.

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