ACS Catal：光催化TiO2甲烷氧化反应原位表征研究机理

纳米技术

2021-06-21

光激发生成的电荷、及其与分子之间的反应是光催化反应的关键，对此类基本反应步骤的观测和表征非常重要。有鉴于此，伦敦大学学院唐军旺等报道一种观测和表征粉末光催化剂体系中反应过程的一种方法，通过可见-近红外区间光吸收变化情况，对基准型TiO₂光催化剂上的光催化甲烷转化反应过程进行表征。

本文要点：

（1）

在恒定不变的光激发条件下，作者发现光激发电子的主要行为是NIR区间的吸收，光激发空穴的吸收峰在可见光区间短波长区间更加强烈，反应中观测结果与目前公认的瞬态吸收结果相符。作者通过原位表征测试，发现TiO₂催化剂上的甲烷活化起始通过光激发空穴进行。

（2）

计算结果显示90±6 %的光激发电子被干空气的O₂消耗，61±9 %的光激发空穴被甲烷分子消耗（在Ar气氛中的消耗仅仅10 %）。当O₂浓度降低10倍，仍然有相似数量的光生电子被O₂消耗。该结果说明在锐钛矿TiO₂上氧气比甲烷更容易被活化，因此通常实际条件中光催化甲烷氧化反应中所需的实际O₂低于化学计量比的数量。

此外，作者发现，反应生成的甲醇产物比甲烷分子更容易在TiO₂上被氧化。

参考文献

Tina Jingyan Miao, Chao Wang, Lunqiao Xiong, Xiyi Li, Jijia Xie, and Junwang Tang*, In Situ Investigation of Charge Performance in Anatase TiO₂ Powder for Methane Conversion by Vis–NIR Spectroscopy, ACS Catal. 2021, 11, 8226–8238

DOI: 10.1021/acscatal.1c01998

https://pubs.acs.org/doi/10.1021/acscatal.1c01998