光催化可实现在温和条件下将甲烷转化为多碳(C2+)化合物。但是,以甲基自由基作为唯一的反应中间体,生成的C2+产物主要由乙烷构成,对乙烯的选择性可以忽略不计,而乙烯作为一种关键的化学原料,具有比乙烷更高的附加值。近日,中科大Yujie Xiong,Ran Long等报道了一种Pd修饰的ZnO-Au杂化材料,可在温和的条件下(室温,1个大气压和入射光)高效催化CH4向C2H4转化。
本文要点:
1)作者采用温和的水热法制备了多孔ZnO纳米板,并将预先制备的AuPdx纳米棒负载在多孔ZnO纳米板上,制备了Pd修饰的ZnO-Au杂化材料。
2)作者通过各种原位表征技术发现,Pd诱导的光催化剂的脱氢能力开启了一个新的CH4-C2H4转化途径,该途径涉及甲氧基和乙氧基中间体的形成和脱氢。
3)研究发现,在反应过程中,甲烷分子首先在Pd的帮助下在ZnO表面分解为甲氧基。然后将这些甲氧基中间体进一步脱氢并与甲基自由基偶联成乙氧基,然后通过脱氢将其转化为乙烯。
4)实验表明,经过优化的在Au晶格中具有原子分散的Pd位点的ZnO-AuPd杂化材料可实现536.0 μmolg-1的甲烷转化率,光照8小时后C2+化合物的选择性为96.0%(39.7%C2H4和54.9%C2H6)。
该工作为温和条件下甲烷转化途径提供了新的见识,并强调了脱氢对于增强光催化活性和不饱和烃产物选择性的重要性。
Wenbin Jiang, et al. Pd-Modified ZnO–Au Enabling Alkoxy Intermediates Formation and Dehydrogenation for Photocatalytic Conversion of Methane to Ethylene. J. Am. Chem. Soc., 2020
DOI: 10.1021/jacs.0c10369