Исследователи из Академии инноваций в области точных измерений науки и технологий (APM) Китайской академии наук обнаружили, что закрепление субнанометровых кластеров MoOₓ на нанолистах TiO₂ может эффективно подавлять образование CO₂ во время окисления метана, значительно повышая селективность получения кислородсодержащих органических продуктов.
Это открытие проливает свет на активность и механизм фотокаталитического селективного окисления метана. Исследование [опубликовано](https://www.nature.com/articles/s41467-025-59465-z) в журнале Nature Communications.
Проблема и методы
Метан (CH₄) — это химически инертный газ, который широко распространён, но его прямое преобразование в ценные продукты, такие как метанол и формальдегид, представляет собой сложную задачу. Традиционные термокаталитические методы требуют жёстких условий и часто страдают от низкой селективности, что приводит к переокислению.
Фотокатализ, управляемый солнечной энергией, предлагает более экологичную альтернативу, но улучшение активности и селективности остаётся сложной задачей. Хотя благородные металлы, такие как золото, улучшают производительность, их высокая стоимость ограничивает практическое применение. Поэтому интерес вызывают недрагоценные металлы, такие как никель и кобальт, однако балансировка скорости конверсии и селективности остаётся сложной задачей.
В этом исследовании учёные разработали фотокатализатор на основе TiO₂, украшенный ультрамалыми (0,6 нм) кластерами MoOₓ. Они достигли эффективной фотокаталитической реакции окисления метана.
Результаты
Катализатор с загрузкой MoOₓ 0,5% показал оптимальную каталитическую активность, достигнув выхода органических кислородсодержащих соединений 3,8 ммоль/г в течение двух часов с селективностью, близкой к 100%. Он показал видимый квантовый выход 13,3% при 365 нм и поддерживал стабильную высокую селективность (>95%) в течение 1800 минут непрерывной реакции, демонстрируя отличную долговечность.
Анализ с помощью электронного парамагнитного резонанса (ЭПР) и ядерного магнитного резонанса (ЯМР) in situ показал, что кластеры MoOₓ активируют O₂ с образованием поверхностно-активных частиц (Mo−OO и Mo−OOH), которые облегчают активацию углерод-водородных связей метана с образованием промежуточных продуктов реакции (Mo-CH₂). Это эффективно подавляет образование гидроксильных радикалов (•OH) и супероксидных радикалов (O₂•−), тем самым снижая переокисление продуктов.
Кроме того, фотогенерированные электроны восстанавливают молибденовые частицы, которые в присутствии воды облегчают десорбцию формальдегида с поверхности катализатора, предотвращая дальнейшее окисление.
Заключение
Это исследование предоставляет новые идеи для разработки эффективных недрагоценных металлических катализаторов, продвигая технологию преобразования метана на практике.
Предоставлено Китайской академией наук.