甲烷/甲醇光催化转化研究进展

张舒怡 鲍静娴 吴博 钟良枢 孙予罕

引用本文: 张舒怡, 鲍静娴, 吴博, 钟良枢, 孙予罕. 甲烷/甲醇光催化转化研究进展[J]. 物理化学学报, 2019, 35(9): 923-939. doi: 10.3866/PKU.WHXB201810002 shu
Citation:  ZHANG Shuyi, BAO Jingxian, WU Bo, ZHONG Liangshu, SUN Yuhan. Research Progress on the Photocatalytic Conversion of Methane and Methanol[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2019, 35(9): 923-939. doi: 10.3866/PKU.WHXB201810002 shu

甲烷/甲醇光催化转化研究进展

    作者简介:


    钟良枢,2003年本科毕业于北京化工大学,获应用化学学士学位;2008年6月毕业于中国科学院化学研究所,获物理化学博士学位;2008年7月至2010年6月在德国慕尼黑工业大学化学系进行博士后研究。现任中国科学院上海高等研究院研究员。主要从事C1分子高选择性转化制清洁燃料与高附加值化学品相关的催化研究;
    孙予罕,1983年毕业于郑州大学化学系,获得学士学位;1983年至1989年在中国科学院山西煤炭化学研究所获博士学位。现任中国科学院上海高等研究院低碳转化科学与工程重点实验室主任。主要从事含碳资源与CO2转化利用中催化和工程研究,以及相关纳米材料及其在绿色化学中的应用研究,包括近期的清洁能源战略与解决方案研究;
    通讯作者: 钟良枢, zhongls@sari.ac.cn; 孙予罕, sunyh@sari.ac.cn
  • 基金项目:

    国家重点研发计划重点专项(2017YFB0602202, 2018YFB0604700), 国家自然科学基金(21573271, 91545112, 21703278), 中国科学院前沿科学重点研究划(QYZDB-SSW-SLH035), 中国科学院洁净能源先导科技专项(XDA21020600)资助

摘要: 在能源需求不断上涨及石油供应日益紧张的背景下,开展对煤、天然气或生物质等非油基资源(CO、CO2、CH3OH、CH4等)的高效利用显得尤为重要。C1小分子(CO、CO2、CH3OH、CH4等)经催化转化可得到燃料及多种化学品,一直受到学术界及工业界的广泛关注。甲烷/甲醇作为重要的C1平台分子,其催化转化在C1化学中占据重要地位。为了提高目标产物的选择性,需要有效地控制甲烷/甲醇中C―H键的活化。传统热催化作为甲烷/甲醇最常见的转化方法发展已久,但仍然面临着反应条件苛刻、能耗大、产率和选择性低等问题。光催化反应通过引入光能弥补反应中吉布斯自由能的上升,同时具有反应条件温和、操作简单、能耗低等特点,从而为甲烷/甲醇转化提供了新的途径。通过调节光的波长、强度以及催化剂的氧化能力可以实现甲烷/甲醇的选择性转化,减少副产物的生成。此外,光催化能够选择性活化甲醇的C―H键而非O―H键,从而实现甲醇的C―C偶联反应。本文主要围绕甲烷/甲醇的重整、氧化和偶联反应,总结近年来的光催化转化进展,并对进一步提高光催化性能做了展望。

English

    1. [1]

      Herrerias, C. I.; Yao, X.; Li, Z.; Li, C. -J. Chem. Rev. 2007, 107, 2546. doi: 10.1021/cr050980b

    2. [2]

      Singh, M. K.; Akula, H. K.; Satishkumar, S.; Stahl, L.; Lakshman, M. K. ACS Catal. 2016, 6, 1921. doi: 10.1021/acscatal.5b02603

    3. [3]

      Yu, J. -T.; Pan, C. Chem. Commun. 2016, 52, 2220. doi: 10.1039/c5cc08872k

    4. [4]

      Cook, A. K.; Schimler, S. D.; Matzger, A. J.; Sanford, M. S. Science 2016, 351, 1421. doi: 10.1126/science.aad9289

    5. [5]

      Smith, K. T.; Berritt, S.; Gonzalez-Moreiras, M.; Ahn, S.; Smith, M. R., III; Baik, M. -H.; Mindiola, D. J. Science 2016, 351, 1424. doi: 10.1126/science.aad9730

    6. [6]

      Takamatsu, K.; Hirano, K.; Satoh, T.; Miura, M. J. Org. Chem. 2015, 80, 3242. doi: 10.1021/acs.joc.5b00307

    7. [7]

      Warratz, S.; Burns, D. J.; Zhu, C.; Korvorapun, K.; Rogge, T.; Scholz, J.; Jooss, C.; Gelman, D.; Ackermann, L. Angew. Chem. Int. Ed. 2017, 56, 1557. doi: 10.1002/anie.201609014

    8. [8]

      Zhang, F. -L.; Hong, K.; Li, T. -J.; Park, H.; Yu, J. -Q. Science 2016, 351, 252. doi: 10.1126/science.aad7893

    9. [9]

      Liao, K.; Negretti, S.; Musaev, D. G.; Bacsa, J.; Davies, H. M. L. Nature 2016, 533, 230. doi: 10.1038/nature17651

    10. [10]

      Liao, K. B.; Pickel, T. C.; Oyarskikh, V. B.; Acsa, J. B.; Usaev, D. G. M.; Davies, H. M. L. Nature 2017, 551, 609. doi: 10.1038/nature24641

    11. [11]

      Liao, K.; Yang, Y.-F.; Li, Y.; Sanders, J. N.; Houk, K. N.; Musaev, D. G.; Davies, H. M. L. Nat. Chem. 2018, 551, 609. doi: 10.1038/s41557-018-0087-7

    12. [12]

      Tzirakis, M. D.; Lykakis, I. N.; Orfanopoulos, M. Chem. Soc. Rev. 2009, 38, 2609. doi: 10.1039/B812100C

    13. [13]

      Zhang, X.; MacMillan, D. W. C. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 11353. doi: 10.1021/jacs.7b07078

    14. [14]

      Capacci, A. G.; Malinowski, J. T.; McAlpine, N. J.; Kuhne, J.; MacMillan, D. W. C. Nat. Chem. 2017, 9, 1073. doi: 10.1038/nchem.2797

    15. [15]

      Maeda, H.; Takayama, H.; Segi, M. Photochem. Photobiol. Sci 2018, 17, 1118. doi: 10.1039/c8pp00239h

    16. [16]

      Jeffrey, J. L.; Terrett, J. A.; MacMillan, D. W. C. Science 2015, 349, 1532. doi: 10.1126/science.aac8555

    17. [17]

      Nicewicz, D. A.; MacMillan, D. W. C. Science 2008, 322, 77. doi: 10.1126/science.1161976

    18. [18]

      Shaw, M. H.; Shurtleff, V. W.; Terrett, J. A.; Cuthbertson, J. D.; MacMillan, D. W. C. Science 2016, 352, 1304. doi: 10.1126/science.aaf6635

    19. [19]

      Zuo, Z.; Ahneman, D. T.; Chu, L.; Terrett, J. A.; Doyle, A. G.; MacMillan, D. W. C. Science 2014, 345, 437. doi: 10.1126/science.1255525

    20. [20]

      Xie, S.; Shen, Z.; Deng, J.; Guo, P.; Zhang, Q.; Zhang, H.; Ma, C.; Jiang, Z.; Cheng, J.; Deng, D.; et al. Nat.Commun. 2018, 9, 1181. doi: 10.1038/s41467-018-03543-y

    21. [21]

      Villa, K.; Murcia-López, S.; Morante, J. R.; Andreu, T. Appl. Catal. B 2016, 187, 30. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.01.032

    22. [22]

      Nomikos, G. N.; Panagiotopoulou, P.; Kondarides, D. I.; Verykios, X. E. Appl. Catal. B 2014, 146, 249. doi: 10.1016/j.apcatb.2013.03.018

    23. [23]

      Chen, F.; Yang, Q.; Li, X.; Zeng, G.; Wang, D.; Niu, C.; Zhao, J.; An, H.; Xie, T.; Deng, Y. Appl. Catal. B 2017, 200, 330. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.07.021

    24. [24]

      Hammond, C.; Forde, M. M.; Ab Rahim, M. H.; Thetford, A.; He, Q.; Jenkins, R. L.; Dimitratos, N.; Lopez-Sanchez, J. A.; Dummer, N. F.; Murphy, D. M.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 5129. doi: 10.1002/anie.201108706

    25. [25]

      Ab Rahim, M. H.; Forde, M. M.; Jenkins, R. L.; Hammond, C.; He, Q.; Dimitratos, N.; Lopez-Sanchez, J. A.; Carley, A. F.; Taylor, S. H.; Willock, D. J.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2013, 52, 1280. doi: 10.1002/anie.201207717

    26. [26]

      Forde, M. M.; Armstrong, R. D.; Hammond, C.; He, Q.; Jenkins, R. L.; Kondrat, S. A.; Dimitratos, N.; Lopez-Sanchez, J. A.; Taylor, S. H.; Willock, D.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 11087. doi: 10.1021/ja403060n

    27. [27]

      Agarwal, N.; Freakley, S. J.; McVicker, R. U.; Althahban, S. M.; Dimitratos, N.; He, Q.; Morgan, D. J.; Jenkins, R. L.; Willock, D. J.; Taylor, S. H.; et al. Science 2017, 358, 223. doi: 10.1126/science.aan6515

    28. [28]

      Liu, H.; Meng, X.; Dao, T. D.; Zhang, H.; Li, P.; Chang, K.; Wang, T.; Li, M.; Nagao, T.; Ye, J. Angew. Chem. Int. Ed. 2015, 54, 11545. doi: 10.1002/anie.201504933

    29. [29]

      Han, B.; Wei, W.; Chang, L.; Cheng, P.; Hu, Y. H. ACS Catal. 2015, 6, 494. doi: 10.1021/acscatal.5b02653

    30. [30]

      Liu, H.; Meng, X.; Dao, T. D.; Liu, L.; Li, P.; Zhao, G.; Nagao, T.; Yang, L.; Ye, J. J. Mater. Chem. A 2017, 5, 10567. doi: 10.1039/c7ta00704c

    31. [31]

      Pan, F.; Xiang, X.; Deng, W.; Zhao, H.; Feng, X.; Li, Y. ChemCatChem 2018, 10, 940. doi: 10.1002/cctc.201701565

    32. [32]

      Liu, H.; Dao, T. D.; Liu, L.; Meng, X.; Nagao, T.; Ye, J. Appl. Catal. B 2017, 209, 183. doi: 10.1016/j.apcatb.2017.02.080

    33. [33]

      Murcia-López, S.; Bacariza, M. C.; Villa, K.; Lopes, J. M.; Henriques, C.; Morante, J. R.; Andreu, T. ACS Catal. 2017, 7, 2878. doi: 10.1021/acscatal.6b03535

    34. [34]

      Sastre, F.; Fornes, V.; Corma, A.; Garcia, H. Chemistry 2012, 18, 1820. doi: 10.1002/chem.201102273

    35. [35]

      Hu, Y.; Anpo, M.; Wei, C. J. Photochem. Photobiol. A 2013, 264, 48. doi: 10.1016/j.jphotochem.2013.05.005

    36. [36]

      Li, L.; Fan, S.; Mu, X.; Mi, Z.; Li, C. J. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 7793. doi: 10.1021/ja5004119

    37. [37]

      Meng, L.; Chen, Z.; Ma, Z.; He, S.; Hou, Y.; Li, H.-H.; Yuan, R.; Huang, X.-H.; Wang, X.; Wang, X.; et al. Energ. Environ. Sci. 2018, 11, 294. doi: 10.1039/c7ee02951a

    38. [38]

      Li, L.; Li, G. D.; Yan, C.; Mu, X. Y.; Pan, X. L.; Zou, X. X.; Wang, K. X.; Chen, J. S. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 8299. doi: 10.1002/anie.201102320

    39. [39]

      Li, L.; Cai, Y. Y.; Li, G. D.; Mu, X. Y.; Wang, K. X.; Chen, J. S. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 4702. doi: 10.1002/anie.201200045

    40. [40]

      Li, Z.; Mo, L.; Kathiraser, Y.; Kawi, S. ACS Catal. 2014, 4, 1526. doi: 10.1021/cs401027p

    41. [41]

      Zhao, Y.; Kang, Y. Q.; Li, H.; Li, H. X. Green Chem. 2018, 20, 2781. doi: 10.1039/c8gc00743h

    42. [42]

      Margossian, T.; Larmier, K.; Kim, S. M.; Krumeich, F.; Fedorov, A.; Chen, P.; Muller, C. R.; Coperet, C. J. Am. Chem. Soc. 2017, 139, 6919. doi: 10.1021/jacs.7b01625

    43. [43]

      Zhang, Y. X.; Dragan, A.; Geddes, C. D. J. Phys.Chem. C 2009, 113, 15811. doi: 10.1021/jp900958n

    44. [44]

      Xiong, Z.; Chen, X.; Wang, X.; Peng, L.; Yan, D.; Lei, H.; Fu, Y.; Wu, J.; Li, Z.; An, X.; et al. Appl. Surf. Sci. 2013, 268, 524. doi: 10.1016/j.apsusc.2012.12.161

    45. [45]

      Nagli, L.; Gaft, M.; Gornushkin, I.; Glaus, R. Opt. Commun. 2016, 378, 41. doi: 10.1016/j.optcom.2016.05.071

    46. [46]

      Kondratenko, V. A.; Berger-Karin, C.; Kondratenko, E. V. ACS Catal. 2014, 4, 3136. doi: 10.1021/cs5002465

    47. [47]

      Park, J. H.; Kwon, Y.-i.; Nam, G. D.; Joo, J. H. J. Mater. Chem. A 2018, 6, 14246. doi: 10.1039/c8ta03021a

    48. [48]

      Zhu, S.; Lian, X.; Fan, T.; Chen, Z.; Dong, Y.; Weng, W.; Yi, X.; Fang, W. Nanoscale 2018, 10, 14031. doi: 10.1039/c8nr02588f

    49. [49]

      Sushkevich, V. L.; Palagin, D.; Ranocchiari, M.; van Bokhoven, J. A. Science 2017, 356, 523. doi: 10.1126/science.aam9035

    50. [50]

      Khan, N. A.; Kennedy, E. M.; Dlugogorski, B. Z.; Adesina, A. A.; Stockenhuber, M. Catal. Commun. 2014, 53, 42. doi: 10.1016/j.catcom.2014.04.012

    51. [51]

      Aslam, M.; Ismail, I. M.; Chandrasekaran, S.; Hameed, A. J. Hazard. Mater. 2014, 276, 120. doi: 10.1016/j.jhazmat.2014.05.022

    52. [52]

      Tanaka, A.; Hashimoto, K.; Kominami, H. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 586. doi: 10.1021/ja410230u

    53. [53]

      Hameed, A.; Ismail, I. M. I.; Aslam, M.; Gondal, M. A. Appl. Catal. A 2014, 470, 327. doi: 10.1016/j.apcata.2013.10.045

    54. [54]

      Li, R.; Han, H.; Zhang, F.; Wang, D.; Li, C. Energy Environ. Sci. 2014, 7, 1369. doi: 10.1039/c3ee43304h

    55. [55]

      Ohkubo, K.; Hirose, K. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 2126. doi: 10.1002/anie.201710945

    56. [56]

      Keller, G. E.; Bhasin, M. M. J. Catal. 1982, 73, 9. doi: 10.1016/0021-9517[82] 90075-6

    57. [57]

      Brady, C.; Murphy, B.; Xu, B. ACS Catal. 2017, 7, 3924. doi: 10.1021/acscatal.7b00879

    58. [58]

      Liu, Y.; Li, D.; Wang, T.; Liu, Y.; Xu, T.; Zhang, Y. ACS Catal. 2016, 6, 5366. doi: 10.1021/acscatal.6b01362

    59. [59]

      Okolie, C.; Lyu, Y.; Kovarik, L.; Stavitski, E.; Sievers, C. ChemCatChem 2018, 10, 2700. doi: 10.1002/cctc.201701892

    60. [60]

      Guo, J. J.; Hu, A.; Chen, Y.; Sun, J.; Tang, H.; Zuo, Z. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 15319. doi: 10.1002/anie.201609035

    61. [61]

      Hu, A.; Guo, J. J.; Pan, H.; Tang, H.; Gao, Z.; Zuo, Z. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 1612. doi: 10.1021/jacs.7b13131

    62. [62]

      Hu, A.; Guo, J. -J.; Pan, H.; Zuo, Z. Science 2018, 361, 668. doi: 10.1126/science.aat9750

    63. [63]

      Su, L. -W.; Li, X. -R.; Sun, Z. -Y. Energ. Policy 2013, 63, 130. doi: 10.1016/j.enpol.2013.08.031

    64. [64]

      Chiarello, G. L.; Aguirre, M. H.; Selli, E. J. Catal. 2010, 273, 182. doi: 10.1016/j.jcat.2010.05.012

    65. [65]

      Liu, Z.; Yin, Z.; Cox, C.; Bosman, M.; Qian, X.; Li, N.; Zhao, H.; Du, Y.; Li, J.; Nocera, D. G. Sci. Adv. 2016, 2, e1501425. doi: 10.1126/sciadv.1501425

    66. [66]

      Liu, Y.; Yang, S.; Yin, S.-N.; Feng, L.; Zang, Y.; Xue, H. Chem. Eng. J. 2018, 334, 2401. doi: 10.1016/j.cej.2017.12.016

    67. [67]

      DePuccio, D. P.; Landry, C. C. Catal. Sci.Technol. 2016, 6, 7512. doi: 10.1039/c6cy01449f

    68. [68]

      Liu, J.; Han, C.; Yang, X.; Gao, G.; Shi, Q.; Tong, M.; Liang, X.; Li, C. J. Catal. 2016, 333, 162. doi: 10.1016/j.jcat.2015.11.005

    69. [69]

      Liang, X.; Yang, X.; Gao, G.; Li, C.; Li, Y.; Zhang, W.; Chen, X.; Zhang, Y.; Zhang, B.; Lei, Y.; et al. J. Catal. 2016, 339, 68. doi: 10.1016/j.jcat.2016.03.033

    70. [70]

      Yang, X.; Zhang, A.; Gao, G.; Han, D.; Han, C.; Wang, J.; Lu, H.; Liu, J.; Tong, M. Catal. Commun. 2014, 43, 192. doi: 10.1016/j.catcom.2013.10.010

    71. [71]

      Han, C. H.; Yang, X. Z.; Gao, G. J.; Wang, J.; Lu, H. L.; Liu, J.; Tong, M.; Liang, X. Y. Green Chem. 2014, 16, 3603. doi: 10.1039/c4gc00367e

    72. [72]

      Fan, Y. H.; Bao, J. X.; Shi, L.; Li, S. G.; Lu, Y. W.; Liu, H. J.; Wang, H.; Zhong, L. S.; Sun, Y. H. Catal. Lett. 2018, 148, 2274. doi: 10.1007/s10562-018-2465-6

    73. [73]

      Fan, Y.; Li, S.; Bao, J.; Shi, L.; Yang, Y.; Yu, F.; Gao, P.; Wang, H.; Zhong, L.; Sun, Y. Green Chem. 2018, 20, 3450. doi: 10.1039/c8gc00971f

    74. [74]

      Chiarello, G. L.; Ferri, D.; Selli, E. J. Catal. 2011, 280, 168. doi: 10.1016/j.jcat.2011.03.013

    75. [75]

      Highfield, J. G.; Chen, M. H.; Nguyen, P. T.; Chen, Z. Energ. Environ. Sci. 2009, 2. doi: 10.1039/b907781m

    76. [76]

      Naldoni, A.; D'Arienzo, M.; Altomare, M.; Marelli, M.; Scotti, R.; Morazzoni, F.; Selli, E.; Dal Santo, V. Appl. Catal. B 2013, 130-131, 239. doi: 10.1016/j.apcatb.2012.11.006

    77. [77]

      Guo, Q.; Xu, C.; Ren, Z.; Yang, W.; Ma, Z.; Dai, D.; Fan, H.; Minton, T. K.; Yang, X. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 13366. doi: 10.1021/ja304049x

    78. [78]

      Shen, M.; Henderson, M. A. J. Phys.Chem. C 2012, 116, 18788. doi: 10.1021/jp3046774

    79. [79]

      Zhang, J.; Peng, C.; Wang, H.; Hu, P. ACS Catal. 2017, 7, 2374. doi: 10.1021/acscatal.6b03348

    80. [80]

      Iwase, Y.; Kobayashi, T.; Inazu, K.; Miyaji, A.; Baba, T. Catal. Lett. 2007, 118, 146. doi: 10.1007/s10562-007-9171-0

    81. [81]

      Tang, X. C.; Zeng, Z. W.; Jiang, L. H.; Chen, L. A.; Wang, Z. M.; Jia, D. A. Z. Acta Chim. Sin. 2010, 68, 2013.

    82. [82]

      Jogunola, O.; Salmi, T.; Kangas, M.; Mikkola, J. P. Chem. Eng. J. 2012, 203, 469. doi: 10.1016/j.cej.2012.06.085

    83. [83]

      Lu, Z.; Gao, D.; Yin, H.; Wang, A.; Liu, S. J. Ind. Eng. Chem 2015, 31, 301. doi: 10.1016/j.jiec.2015.07.002

    84. [84]

      Phillips, K. R.; Jensen, S. C.; Baron, M.; Li, S. C.; Friend, C. M. J. Am. Chem. Soc. 2013, 135, 574. doi: 10.1021/ja3106797

    85. [85]

      Shen, Z. B.; Xie, S. J.; Fan, W. Q.; Zhang, Q. H.; Xie, Z. K.; Yang, W. M.; Wang, Y. D.; Lin, J. C.; Wu, X. J.; Wan, H. L.; et al. Catal. Sci.Technol. 2016, 6, 6485. doi: 10.1039/c6cy01468b

    86. [86]

      Xie, S. J.; Shen, Z. B.; Zhang, H. M.; Cheng, J.; Zhang, Q. H.; Wang, Y. Catal. Sci. Technol. 2017, 7, 923. doi: 10.1039/c6cy02510b

    87. [87]

      Pospech, J.; Fleischer, I.; Franke, R.; Buchholz, S.; Beller, M. Angew Chem. Int. Ed. 2013, 52, 2852. doi: 10.1002/anie.201208330

    88. [88]

      Chan, L. K. M.; Poole, D. L.; Shen, D.; Healy, M. P.; Donohoe, T. J. Angew. Chem. Int. Ed. 2014, 53, 761. doi: 10.1002/anie.201307950

    89. [89]

      Liu, Z. H.; Yang, Z. Z.; Yu, X. X.; Zhang, H. Y.; Yu, B.; Zhao, Y. F.; Liu, Z. M. Org. Lett. 2017, 19, 5228. doi: 10.1021/acs.orglett.7b02462

    90. [90]

      Zhu, C. J.; Zhang, Y. F.; Zhao, H. Q.; Huang, S. J.; Zhang, M.; Su, W. P. Adv. Synth. Catal. 2015, 357, 331. doi: 10.1002/adsc.201500006

    91. [91]

      Yang, J.; Xie, D.; Zhou, H.; Chen, S.; Duan, J.; Huo, C.; Li, Z. Adv. Synth. Catal. 2018, 360, 3471. doi: 10.1002/adsc.201800467

    92. [92]

      Griesbeck, A. G.; Reckenthaler, M. Beilstein J. Org. Chem. 2014, 10, 1143. doi: 10.3762/bjoc.10.114

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  90
  • 文章访问数:  2673
  • HTML全文浏览量:  962
文章相关
  • 发布日期:  2019-09-01
  • 收稿日期:  2018-10-08
  • 修回日期:  2018-11-21
  • 网络出版日期:  2018-09-26
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章