蘇州納米所徐勇團隊Nature Communications:光熱效應顯著強化光驅動甲烷氧化制取乙醇
甲烷(CH4)是天然氣的主要成分,也是主要的溫室氣體,將其選擇性轉化為高附加值化學品,以緩解當前的能源危機和環(huán)境問題,越來越受到研究人員的關注。單獨的光化學催化過程在驅動CH4轉化為C2+方面遇到了無法充分利用太陽能光譜及缺乏C-C偶聯(lián)驅動力的問題。利用催化劑的光熱效應可實現(xiàn)催化劑表面局部高溫,加熱活性位點,促進自由基碰撞、光載流子遷移、反應物活化和產物脫附,從而提高催化性能。然而,由于光催化過程和光熱過程機理復雜,兩者的精準整合具有很大的挑戰(zhàn)性。
中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所徐勇研究員團隊通過引入窄帶隙半導體Cu9S5同時作為光熱轉化組分和光催化組分,成功實現(xiàn)了光熱效應與光化學催化的整合,從而充分利用太陽能光譜,提升催化劑局域溫度,顯著促進光驅動CH4轉化為乙醇。在催化劑體系中同時引入Cu9S5和Cu單原子,可實現(xiàn)光還原反應位點和光氧化反應位點的空間分離,促進光生電子-空穴對的可持續(xù)遷移和分離。原位實驗和理論研究表明Cu9S5/Cu-CCN不僅可以優(yōu)化CH4吸附/活化和乙醇脫附,還可以通過穩(wěn)定?CH3和?CH2O中間體降低C-C偶聯(lián)能壘。Cu9S5/Cu-CCN催化光驅動CH4轉化生成乙醇的產率可達549.7 μmol g-1 h-1,選擇性為94.8%,420 nm處表觀量子效率為0.9%。
相關工作以Selective light-driven methane oxidation to ethanol為題發(fā)表在Nature Communications期刊上。論文第一作者為中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所博士后薛飛博士,通訊作者為徐勇研究員。



圖3. Cu9S5/Cu-CCN光驅動甲烷轉化為乙醇的活性、選擇性及穩(wěn)定性

圖4. Cu9S5/Cu-CCN光還原和光氧化位點的探究、光熱效應的探究及不同光強下光驅動甲烷轉化為乙醇的活性和選擇性

圖5. Cu9S5/Cu-CCN光驅動甲烷轉化為乙醇的反應過程探究
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