【原】唐智勇JACS：TiO2晶相工程提高甲烷光氧化制甲醛！

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研究内容

在温和条件下将甲烷光催化转化为增值产品是工业可持续生产的长期追求目标，但要使用廉价催化剂提供高产量和选择性仍然极具挑战性。

国家纳米科学中心唐智勇课题组通过简单的热退火展示了市售锐钛矿TiO2的晶相工程，优化结构-性能相关性。具有最佳相界面浓度的锐钛矿（90%）和金红石（10%）TiO2的双相催化剂在水溶剂、氧气气氛和全光谱光照射的反应条件下表现出优异的甲烷氧化成甲醛性能。在室温下反应3小时后，获得了前所未有的24.27 mmol gcat-1的产量，对甲醛的选择性高达97.4%。相关工作以“Elevating Photooxidation of Methane to Formaldehyde via TiO2 Crystal Phase Engineering”为题发表在Journal of the American Chemical Society上。

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研究要点

要点1. 作者简单的热退火策略进行了锐钛矿TiO2的晶相工程。由于合适的能带结构排列和丰富的相界面，单独的TiO2中的相结能够有效分离光生载流子。锐钛矿相和金红石相之间的直接化学键合不仅最大化了光生载流子的分离，而且保证了光催化甲烷氧化过程中催化剂的稳定性。

要点2. 结果表明，具有最佳相界面浓度的锐钛矿（90%）和金红石（10%）TiO2的双相催化剂在水溶剂、氧气气氛和全光谱光照射的反应条件下表现出优异的甲烷氧化成甲醛性能。在室温下反应3小时后，获得了前所未有的24.27 mmol gcat-1的产量，对甲醛的选择性高达97.4%。

要点3. 实验结果和理论计算都表明，TiO2的晶相工程延长了光生载流子的寿命，有利于中间甲醇物种的形成，从而最大限度地提高甲烷有氧氧化制甲醛的效率和选择性。这些A/R-TiO2光催化剂进一步应用于“暂停-流动”反应器以进行放大生产。

这项工作为通过合理设计催化剂和反应器来处理低碳原料（包括但不限于甲烷）的工业光催化转化提供了一个例子。

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研究图文

图1. A/R-TiO2的合成与表征。

图2. 光催化甲烷氧化的反应机理。

图3. A/R TiO2光催化甲烷氧化机理的提出。在A/R-TiO2上将CH4光催化转化为HCHO的方案。

图4. 用于放大应用的“暂停流动”反应器中的光催化甲烷氧化。

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文献详情

Elevating Photooxidation of Methane to Formaldehyde via TiO2 Crystal Phase Engineering

Yuheng Jiang, Wenshi Zhao, Siyang Li, Shikun Wang, Yingying Fan, Fei Wang, Xueying Qiu, Yanfei Zhu, Yin Zhang, Chang Long, Zhiyong Tang*

J. Am. Chem. Soc.

DOI: 10.1021/jacs.2c04884