蘇州納米所徐勇團(tuán)隊(duì)Nature Communications:光熱效應(yīng)顯著強(qiáng)化光驅(qū)動(dòng)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(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品,以緩解當(dāng)前的能源危機(jī)和環(huán)境問(wèn)題,越來(lái)越受到研究人員的關(guān)注。單獨(dú)的光化學(xué)催化過(guò)程在驅(qū)動(dòng)CH4轉(zhuǎn)化為C2+方面遇到了無(wú)法充分利用太陽(yáng)能光譜及缺乏C-C偶聯(lián)驅(qū)動(dòng)力的問(wèn)題。利用催化劑的光熱效應(yīng)可實(shí)現(xiàn)催化劑表面局部高溫,加熱活性位點(diǎn),促進(jìn)自由基碰撞、光載流子遷移、反應(yīng)物活化和產(chǎn)物脫附,從而提高催化性能。然而,由于光催化過(guò)程和光熱過(guò)程機(jī)理復(fù)雜,兩者的精準(zhǔn)整合具有很大的挑戰(zhàn)性。
中國(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)與納米仿生研究所徐勇研究員團(tuán)隊(duì)通過(guò)引入窄帶隙半導(dǎo)體Cu9S5同時(shí)作為光熱轉(zhuǎn)化組分和光催化組分,成功實(shí)現(xiàn)了光熱效應(yīng)與光化學(xué)催化的整合,從而充分利用太陽(yáng)能光譜,提升催化劑局域溫度,顯著促進(jìn)光驅(qū)動(dòng)CH4轉(zhuǎn)化為乙醇。在催化劑體系中同時(shí)引入Cu9S5和Cu單原子,可實(shí)現(xiàn)光還原反應(yīng)位點(diǎn)和光氧化反應(yīng)位點(diǎn)的空間分離,促進(jìn)光生電子-空穴對(duì)的可持續(xù)遷移和分離。原位實(shí)驗(yàn)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(guò)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(qū)動(dòng)CH4轉(zhuǎn)化生成乙醇的產(chǎn)率可達(dá)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(guān)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(guó)科學(xué)院蘇州納米技術(shù)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1. Cu9S5/Cu-CCN的合成過(guò)程及形貌表征

圖2. Cu9S5/Cu-CCN和Cu-CCN的結(jié)構(gòu)表征

圖3. Cu9S5/Cu-CCN光驅(qū)動(dòng)甲烷轉(zhuǎn)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(diǎn)的探究、光熱效應(yīng)的探究及不同光強(qiáng)下光驅(qū)動(dòng)甲烷轉(zhuǎn)化為乙醇的活性和選擇性

圖5. Cu9S5/Cu-CCN光驅(qū)動(dòng)甲烷轉(zhuǎn)化為乙醇的反應(yīng)過(guò)程探究
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