Au accelerates the conversion of intermediates to achieve efficient photocatalytic methane conversion to chemicals

光催化甲烷(CH4)直接转化制甲醇(CH3OH)和甲醛(HCHO)等高值化学品为CH4的绿色高值利用和太阳能存储提供了一条理想途径. 然而, 由于CH4分子结构稳定难活化和高值化学品易过氧化, 目前CH4光催化转化过程中往往出现CH4转化率低和目标产物选择性低的问题. 本文通过浸渍法合成了不同担载量金负载二氧化钛光催化材料(Au/TiO2)并对其进行了光催化CH4转化性能评价. 结果显示, Au的负载显著提升了催化活性, 其中1.0wt% Au/TiO2表现出最佳的光催化CH4转化性能, 在60 ℃、0.1 MPa和无额外氧化剂条件下CH4转化率较纯的TiO2提升了2.1倍, 含氧液相产物(CH3OH和HCHO)产率达1057.9 μmol/(g h), 总选择性为84.2%. 利用X射线衍射(XRD), X射线光电子能谱(XPS)和透射电子显微镜(TEM)等表征方法对催化材料进行了表征, 发现Au以纳米颗粒形式存在于TiO2表面. 结合原位红外光谱(in situ DRIFTS)等对催化过程进行了分析, 发现Au作为电子受体可以有效局域电子, 从而促进了甲氧基中间体(CH3O*)向甲基自由基(·CH3)的转化过程. 得益于此, ·CH3可以与羟基自由基(·OH)快速结合, 实现高值化学品的定向高效生成.