蘇州納米所徐勇團(tuán)隊(duì)在光驅(qū)動(dòng)低碳烷烴氧化方面取得進(jìn)展
頁巖氣(甲烷、乙烷和丙烷的低碳烷烴混合物)勘探與開發(fā)所取得的重大進(jìn)展,為擺脫石油依賴,實(shí)現(xiàn)高附加值化學(xué)品生產(chǎn)提供了可能,對(duì)緩解當(dāng)前能源與環(huán)境危機(jī)具有重要意義。然而,傳統(tǒng)熱催化低碳烷烴轉(zhuǎn)化需在高溫下進(jìn)行,導(dǎo)致能耗高、積碳嚴(yán)重及催化劑燒結(jié)等問題。因此,開發(fā)溫和條件下可持續(xù)的乙烷脫氫制乙烯策略具有重要意義。光催化為太陽能向化學(xué)能的可持續(xù)溫和轉(zhuǎn)化提供了極具吸引力的策略,但如何實(shí)現(xiàn)光驅(qū)動(dòng)低碳烷烴高效轉(zhuǎn)化面臨巨大挑戰(zhàn),例如光生電子空穴復(fù)合、產(chǎn)物選擇性低等。
針對(duì)上述問題,中國科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所徐勇研究員課題組利用負(fù)載Ni納米顆粒的ZnO納米網(wǎng)(Ni/ZnO NM),在低濃度O2條件下,成功實(shí)現(xiàn)了太陽光驅(qū)動(dòng)的頁巖氣向醇類的溫和轉(zhuǎn)化。機(jī)理研究表明,金屬-半導(dǎo)體強(qiáng)相互作用(SMSI)誘導(dǎo)電子從ZnO NM向Ni轉(zhuǎn)移,形成了富電子的Ni位點(diǎn)和缺電子的氧空位(Vo)。在光照下,富電子的Ni位點(diǎn)和缺電子的Vo分別作為光生空穴和電子的受體,促進(jìn)載流子分離,同時(shí)實(shí)現(xiàn)光還原與光氧化反應(yīng)的空間解耦,提升烷烴氧化的催化性能和選擇性。由丙烷光催化氧化生成的異丙醇產(chǎn)率達(dá)7.1 mmol g-1 h-1,選擇性為83.5%,350 nm波長(zhǎng)下的表觀量子效率(AQE)為0.65%,優(yōu)于已報(bào)道的C3H8氧化制含氧化合物催化劑。此外,在太陽光驅(qū)動(dòng)的CH4和C2H6氧化過程中,甲醇和乙醇的選擇性均超過90%。需要指出的是,該催化劑也可將不同比例的甲烷、乙烷和丙烷混合低碳烷烴選擇性地轉(zhuǎn)化為甲醇、乙醇和異丙醇,為開發(fā)綠色頁巖氣轉(zhuǎn)化提供了新思路。
該工作以Direct Photoconversion of Shale Gas into Liquid OxygenatesOver Interfacially Coupled Ni/ZnO Nanomesh為題發(fā)表在Advanced Materials上。蘇州納米所薛飛博士為第一作者,徐勇研究員為通訊作者,蘇州納米所為唯一通訊單位,該研究得到了國家自然科學(xué)基金、中國科學(xué)院“率先行動(dòng)”引才計(jì)劃、姑蘇領(lǐng)軍人才計(jì)劃、江蘇省青年基金以及中國博士后基金的支持。

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