非热能的激活和使用甲烷,天然气的主要成分和普遍的自然碳资源,是全球挑战,以确保可持续的社会。然而,缺乏理解的甲烷活化和氢形成的微观机制使得开发工程的策略反应系统困难。
甲烷转化率和(b)氢形成利率Pt / Ga2O3论文在紫外线照射下的甲烷分压70 kPa和水的分压0和2 kPa的样品温度318 K。界面水的存在显著增强光催化在环境温度和压力的活动。图片来源:外祖母/ IMS。
研究人员指导下——杉,分子科学研究所副教授,最近获得的重要分子水平深入界面水的关键作用在非热能的碳氢键活化在光催化甲烷转化。欧洲杯线上买球
使用实时质谱和operando红外吸收光谱结合从头开始分子动力学模拟,他们发现,甲烷转化很少直接交互刺激下,被困洞在表面O纬度网站;相反,激活是极大地促进了低障碍从甲烷氢抽象用光催化界面水的物种。
相比传统thermocatalytic甲烷重整,光催化碳氢键活化不是water-mediated过程的速率决定步骤。此外,由于温和稳定的•CH3形成氢键网络的水,整个光催化转化率一般都增加了在环境温度超过30次(~ 300 K)和压力(~ 1 atm)。
与热催化、光催化甲烷不需要高压甲烷气体(> 20 atm)一层吸附水的存在。
虽然水是没有明确提到的homocoupling反应方程(2 ch4→C2H6+ H2)、水辅助影响在乙烷形成很明显。这些发现表明,界面水动力学扮演重要角色远远超出了传统热力学氧化还原电势的概念,其中水氧化surface-trapped洞不如甲烷氧化热力学首选:E°•哦/ H2O = 2.73 V和E°•CH3/ CH4= 2.06 V和标准氢电极。
明显,这些水辅助效果常常看到几个代表性论文的不同带隙能量,像TiO2乔治亚州2O3,NaTaO3,这意味着将甲烷进入用光催化界面形成氢键网络对非热能的甲烷活化是至关重要的。
研究结果不仅有助于更好地理解非热能的碳氢键活化和转换在分子水平上,但也为理性的非热能的催化系统界面设计有效和可持续的使用环境条件下的甲烷。
期刊引用
佐藤,H。等。(2023)的关键影响界面水在光催化的碳氢键活化甲烷转换。化学通讯。doi.org/10.1038/s42004 - 022 - 00803 - 3。
来源:https://www.nins.jp/en/