1. 文章信息
標(biāo)題：room-temperature photooxidation of ch4 to ch3oh with nearly 100% selectivity over hetero-zno/fe2o3 porous nanosheets
頁(yè)碼：journal of the american chemical society 2022, 144, 12357-12366
doi:10.1021/jacs.2c03866
2. 期刊信息
期刊名：journal of the american chemical society (j. am. chem. soc.)
issn: 0002-7863
2022年影響因子：16.383
分區(qū)信息：中科院1區(qū)top；jcr分區(qū)（q1）
涉及研究方向：化學(xué)：化學(xué)
3. 作者信息：鄭愷（第一作者），謝毅（第一通訊作者），孫永福（第二通訊作者）中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)
4. 光源型號(hào)：北京中教金源cel-hxf300（300 w氙燈，全光譜）
文章簡(jiǎn)介：
甲烷 (ch4) 是一種典型的溫室氣體， ch4會(huì)導(dǎo)致比二氧化碳（co2）更嚴(yán)重的溫室效應(yīng)。然而，ch4在化工中能夠作為一種重要的原料。因此，在溫和條件下將ch4直接轉(zhuǎn)化為高價(jià)值產(chǎn)品是實(shí)現(xiàn)碳中和能夠最大限度地提高ch4利用的潛在價(jià)值的雙贏策略。在這方面，在室溫和大氣壓力下選擇性ch4光氧化成甲醇（ch3oh）被認(rèn)為是c1化學(xué)中的“圣杯”之一。但是，由于ch4分子極低的極化率2.84×10?40 c2 m2 j?1導(dǎo)致了ch4光轉(zhuǎn)化為ch3oh仍然是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。盡管最近的研究揭示ch4可以光轉(zhuǎn)化為ch3oh的可能性，但是反應(yīng)過(guò)程中添加額外的氧化劑仍然是活化ch4的先決條件。然而，因?yàn)檫@些強(qiáng)氧化劑可能會(huì)引導(dǎo)一個(gè)高氧化的環(huán)境，所以熱力學(xué)上不穩(wěn)定的ch3oh不可避免地會(huì)遇到過(guò)度氧化成cox。此外，這些氧化劑通常價(jià)格昂貴，因此不利于實(shí)際的大規(guī)模的使用。因此，構(gòu)建一種高催化活性的光催化材料，在不添加氧化劑的情況下選擇性ch4光氧化成ch3oh。
于此，我們構(gòu)建了不同電負(fù)性金屬的金屬氧化物構(gòu)成的二維（2d）面內(nèi)z型異質(zhì)結(jié)構(gòu)，在室溫和環(huán)境壓力下和不添加任何氧化劑的情況下實(shí)現(xiàn)選擇性ch4光氧化成ch3oh（圖1）。與傳統(tǒng)的單金屬氧化物半導(dǎo)體相比，面內(nèi)異質(zhì)結(jié)材料進(jìn)一步促進(jìn)光生載體分離。此外，金屬氧化物構(gòu)成了的面內(nèi)異質(zhì)結(jié)材料具有將水氧化成·oh自由基的潛力，這些·oh自由基可以在不添加任何氧化劑的情況下觸發(fā)ch4光氧化成ch3oh。此外，對(duì)于這種金屬氧化物的異質(zhì)結(jié)構(gòu)，金屬元素的電負(fù)性的不同導(dǎo)致了金屬(m1) 和金屬(m2)上的明顯電荷積累。具有較高電荷積累的m1位點(diǎn)更傾向于極化 ch4分子，從而削弱惰性c-h鍵，這有利于反應(yīng)性的產(chǎn)生m1-ch3中間體。然后，反應(yīng)生成的 m1-ch3中間體將與生成的·oh自由基相互作用形成m1-ohch3中間體。相比之下，由于金屬位點(diǎn)上的電荷密度分布均勻，傳統(tǒng)的單金屬氧化物半導(dǎo)體很難極化非常穩(wěn)定和對(duì)稱的ch4分子。此外，在m1位點(diǎn)上的高局部電荷積累通過(guò)將電子轉(zhuǎn)移到o原子，抑制o-h鍵均裂產(chǎn)生·ch3o自由基等高反應(yīng)性自由基，從而抑制ch3oh過(guò)氧化。相比之下，對(duì)于傳統(tǒng)的單一金屬氧化物半導(dǎo)體，相對(duì)ch3oh分子中較弱的o-h鍵在m2位點(diǎn)更容易均裂生成反應(yīng)性m2-och3中間體，其可能進(jìn)一步與高活性·oh自由基相互作用，從而產(chǎn)生系列副產(chǎn)物包括 ch3ooh、hcho、hcooh和cox。
基于以上的分析，我們首先合成了面內(nèi)異質(zhì)結(jié)構(gòu)zno/fe2o3多孔納米片，其中寬帶隙zno具有合適的帶邊用于ch4光氧化，而 fe2o3具有強(qiáng)的光吸收能力[31-33]。高分辨率透射電子顯微鏡 (hrtem) 圖像描繪了面內(nèi)zno/fe2o3異質(zhì)結(jié)的存在，而原位x射線光電子能譜 (xps) 清楚地揭示了面內(nèi)zno/fe2o3異質(zhì)結(jié)是典型z型異質(zhì)結(jié)。密度泛函理論 (dft) 計(jì)算證實(shí)面內(nèi) zno/fe2o3異質(zhì)結(jié)通過(guò)zn位點(diǎn)的電荷轉(zhuǎn)移導(dǎo)致fe位點(diǎn)上更高的電荷積累，這有利于ch4分子的吸附，dft進(jìn)一步證實(shí)吸附能量從0.14降低到0.06 ev。與原始 zno 多孔納米片相比，zno/fe2o3多孔納米片的原位傅里葉變換紅外光譜 (ftir) 揭示了大量的*ch3中間體和少量的*ch3o中間體，而相應(yīng)的原位電子順磁共振光譜還表明在構(gòu)建z型異質(zhì)結(jié)后·ch3自由基和·oh 自由基的含量更高。更重要的是，電荷積累的fe位點(diǎn)進(jìn)一步有助于將ch3oh生成的勢(shì)壘從1.10 ev降低到0.71 ev。此外，電荷積累的fe位點(diǎn)通過(guò)將電子轉(zhuǎn)移到o原子上，使 ch3oh 的 o-h 鍵具有更高的極性，從而抑制了o-h的均裂。此外，zno/fe2o3多孔納米片展示了178.3 μmol gcat-1的ch3oh 產(chǎn)量，而ch3oh的選擇性為接近100%，兩者均高于先前報(bào)道的類似條件下的催化劑。因此，這項(xiàng)工作揭示了在溫和條件下選擇性將ch4轉(zhuǎn)化為 ch3oh。
我們一致認(rèn)為本文的創(chuàng)新之處有以下幾點(diǎn)：
1.構(gòu)建局部電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)甲烷活化
2.原位xps揭示異質(zhì)結(jié)類型
3.甲醇選擇性100%
圖1.構(gòu)筑局部高電場(chǎng)實(shí)現(xiàn)高選擇性甲烷氧化為甲醇的示意圖