朴玲钰课题组Nano Res.:高选择性光催化甲烷氧化制甲基过氧化氢

甲烷（CH₄）仅含有碳和氢元素，热值高，储量丰富，是一种极具潜力的清洁能源。同时CH₄的温室效应是二氧化碳（CO₂）的25倍。将CH₄直接转化为高附加值产品既经济又环保，基于其转化的重要意义与困难程度，CH₄转化一直被认为是催化领域的“圣杯”。在热催化CH₄转化领域已经实现了较低温度下CH₄的催化转化，但催化剂的稳定性和产物的选择性不容乐观。光催化利用光子代替高温高压，可以在温和条件下驱动CH₄选择性转化为甲醇（CH₃OH）、甲醛（HCHO）或甲酸（HCOOH）等提供了另一种途径。

甲基过氧化氢（CH₃OOH）是最简单的有机过氧化物，是羟基自由基的主要储存库，一直被认为是一种具有重要价值的化学品。此外，大量的理论计算和实验证明，CH₃OOH是一种必需的中间体，可以经其还原转化为CH₃OH。因此，低成本生产高纯度CH₃OOH的方法具有重要的研究和应用意义。

该文报道了一种经济的、高选择性的(100%)使用板钛矿TiO₂作为光催化剂将CH₄转化为CH₃OOH的方法。文章不使用任何助催化剂，在常温常压、纯板钛矿TiO₂催化剂上进行反应，制取CH₃OOH的选择性100%，产率可达2050±88 μmol·g-1·h-1 (pH ~7.0)，高于目前报道的同类体系的最优值。经过30次循环后，催化体系性能稳定。

采用纯介孔板钛矿TiO₂光催化剂（无助剂），实现了常温常压下由CH₄高选择性制备CH₃OOH。该工艺过程同时具备活性高、CH₃OOH选择性高、催化剂稳定性好的诸多优势。CH₃OOH选择性100%，产率可达2050±88 μ mol·g^-1·h^-1。该催化剂的稳定反应周期至少可达30次。通过实验和理论计算，系统地阐释了催化体系对单一产物CH₃OOH具有高选择性的原因。H₂O₂易在TiO₂表面形成*OOH, CH₄可通过光生空穴氧化为•CH₃， *OOH与•CH₃结合形成能量最有利的CH₃OOH。制取的高纯度CH₃OOH可以通过简易过程100%还原为CH₃OH，有利于实际生产应用。

通讯作者：朴玲钰，国家纳米科学中心研究员，博士生导师。2002年6月获天津大学化工学院博士学位。2002年至2005年，于北京大学和巴黎第六大学（玛丽.居里大学）进行博士后研究。2005年7月加入国家纳米科学中心。中国颗粒学会理事、全国标准物质计量技术委员会委员、中国感光学会光催化专委会委员、纳米技术标准化技术委员会纳米检测工作组成员。主持基金委、教育部、中科院及科技部项目及课题多项，在Joule、Angew Chem. Int. Ed.、 Nano Today等国际知名期刊发表论文80余篇；授权专利32项，获国家级标准物质/样品19项（含我国首个比表面积国家一级标准物质）；制定国家标准9项（已颁布实施）；获2011中国分析测试学会科学技术奖一项（第一完成人）；获2018年中国计量测试学会科学技术进步奖一项。

Bo C, Zhang L, Liu X, et al. Highly selective photocatalytic oxidation of methane to methyl hydroperoxide. Nano Research, 2023, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6152-6.

识别二维码或点击左下角“阅读原文”可访问全文