Pt和CuOx共修饰TiO2光催化流动反应氧化偶联甲烷学术资讯

来源：X一MOL资讯

随着原油资源的逐渐枯竭，页岩气和可燃冰开采吸引着各个国家重视，而作为它们的主要成分——甲烷——也随之成为科学研究的热点。目前，除了直接作为燃料供热，甲烷分子的利用往往需要经过重整和费托合成等多步反应，造成较低的原子利用率和大量的CO2排放。因此，甲烷的直接转化技术在催化研究中不但占据着重要的经济地位，而且科学意义及其重大，比喻为催化研究的“圣杯”。在众多的甲烷直接转化技术中，甲烷的氧化偶联（OCM）制备乙烯乙烷在科学界被认为是最有工业化的技术之一。然而，目前OCM过程主要是热催化，该过程需要高温以及氧气的协助，所以不可避免的受到过度氧化和积碳失活的限制。
光催化技术，在温和条件下利用光能代替热能驱动反应，在过去二十年被应用于甲烷直接转化技术并取得较快的进展。截至今日，光催化甲烷转化已经实现多种产物的合成，包括甲醇、乙醇、乙烯乙烷、甲醛、丙酮、苯、氢气等。尽管如此，目前光催化甲烷技术仍然不成熟，包括高电子空穴复合率造成低转化率、缺乏助催化剂造成低选择性，特别是局限于间歇反应器造成反应动力学过程难以控制，进而产物的选择性很低。
伦敦大学学院和吉林大学合作，唐军旺教授等开发出了Pt和CuOx共修饰TiO2及第一个光催化甲烷氧化偶联流动体系很好的弥补了以上研究空白。通过光镀法引入Pt纳米颗粒，可以促进TiO2上光生电荷的分离。等体积浸渍法引入的铜簇不仅可以接受TiO2的光生空穴，并且还可以降低空穴的氧化电势，从而减少高附加值产物进一步氧化成二氧化碳。该反应所生成的乙烯乙烷在流动体系下可以及时分离，控制了这个反应的动力学过程，有效的避免过度氧化。经过不同含量的Pt和CuOx的探究，所得最好催化剂Cu0.1Pt0.5/PC-50在2400 h-1空速下C2产率达到68 µmol/g/h，是Cu0.1/PC-50的3倍和Pt0.5/PC-50的6倍。这是目前常温常压下光催化甲烷制备乙烯乙烷的最高水平。同时，该催化剂也取得60%的C2选择性，与热催化OCM的经典催化剂（Li/MgO）在>943K常压下水平相当。Pt和CuOx的化学态、形貌结构和作用机理也通过in-situ EPR, XPS, PL和电化学表征等手段加以验证。该工作为甲烷转化提供了一条从苛刻条件到温和条件的绿色途径。

这一结果近期发表Angewandte Chemie International Edition 上。

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