Team udvikler ny guld nanocluster-rig titaniumdioxid fotokatalysator til oxidativ kobling af metan

Kulbrintemetan er meget rigeligt på Jorden, men dets frigivelse er nu kendt for at bidrage til stigninger i temperatur og klimaændringer. I de senere år har forskere forsøgt at udtænke pålidelige metoder til direkte at omdanne metan til andre brændstoffer og kemikalier med værdifulde anvendelser i den virkelige verden.

Disse strategier omfatter katalysatorbaserede metoder til at fremskynde den oxidative kobling af metan til stoffer, der indeholder den grønne gas diatomisk kulstof (C₂ ). Denne reaktion kræver dog typisk ekstreme og udfordrende miljøforhold på grund af de ugunstige egenskaber ved de hidtil introducerede termokatalysatorer.

Forskere ved University College London, University of Liverpool har for nylig udviklet en ny fotokatalysator, der kan fremme den oxidative kobling af metan. Denne fotokatalysator, introduceret i Nature Energy , er baseret på titaniumdioxid (TiO₂ ) fyldt med guld (Au) nanoclusters.

"Fotokatalytisk oxidativ kobling af metan (OCM) producerer C₂ molekyler, der kan bruges som byggesten til syntese af brændstoffer og kemikalier," skrev Xiyi Li, Chao Li og deres kolleger i avisen. "Men udbyttehastigheden og selektiviteten af ​​C₂ produkter er stadig moderate på grund af den stabile natur af metanmolekyler."

Ved hjælp af en hurtig sputtermetode var forskerne i stand til homogent at indlæse Au nanoclusters på TiO₂ , der producerer deres lovende nye fotokatalysator. I de første test så en optimeret prøve af deres fotokatalysator ud til at fungere bemærkelsesværdigt godt, idet den omdannede metan til C₂ med høj hastighed og uden at kræve særligt skrappe reaktionsbetingelser.

"Vi udvikler en Au nanocluster-loadet TiO₂ fotokatalysator ved en forstøvningstilgang, der opnår en høj methankonverteringshastighed på 1,1 mmol h ⁻¹ , C₂ selektivitet på ~90% og tilsyneladende kvanteeffektivitet på 10,3 ± 0,6%," forklarede Xiyi Li, Chao Li og deres kolleger i undersøgelsen.

"Det høje C₂ /C₂₊ udbyttehastigheden er i samme størrelsesorden som benchmark-termiske katalysatorer i OCM-processer, der drives ved høj temperatur (>680 °C). Au nanopartikler er vist at forlænge TiO₂ fotoelektrons levetid med en faktor på 66 for O₂ reduktion, sammen med Au, der fungerer som en hulacceptor og katalytisk center for at fremme methanadsorption, C-H-aktivering og C-C-kobling," fortsatte de.

Samlet set viser denne undersøgelse fordelene ved at bruge katalysatorer baseret på forskellige komponenter med forskellige funktioner og egenskaber for at muliggøre den oxidative kobling af metan. Deres foreslåede fotokatalysator, Au60s/TiO₂ , viste sig at overgå mange tidligere rapporterede katalysatorer, der kan udløse denne reaktion, hvad angår stabilitet, methanomdannelseshastighed og udbytte af C₂ .

Navnlig er holdets fotokatalysator også nem at fremstille, hvilket kunne lette dens store produktion og implementering. Flere undersøgelser kan snart hjælpe med at validere ydeevnen af ​​den nye Au60s/TiO₂ fotokatalysator og vurdere dens anvendelighed i virkelige omgivelser.

I fremtiden kan denne undersøgelse også bane vejen for fremstilling af andre lovende multi-materiale fotokatalysatorer til pålidelig og direkte omdannelse af metan. Tilsammen kunne disse bestræbelser hjælpe med den værdifulde udnyttelse af de rigelige metanreserver på Jorden.

Flere oplysninger: Xiyi Li et al., Effektiv hulabstraktion til meget selektiv oxidativ kobling af metan ved hjælp af Au-sputtered TiO₂ fotokatalysatorer, Nature Energy (2023). DOI:10.1038/s41560-023-01317-5

Journaloplysninger: Naturenergi

© 2023 Science X Network