调控电荷动力学与表面反应性用于Au/Ti-CeO2光催化甲烷选择性氧化制乙烷

徐新宇 陆迦勒 苏波 陈佳义 陈雄 汪思波

引用本文: 徐新宇, 陆迦勒, 苏波, 陈佳义, 陈雄, 汪思波. 调控电荷动力学与表面反应性用于Au/Ti-CeO2光催化甲烷选择性氧化制乙烷[J]. 物理化学学报, 2025, 41(11): 100153. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100153 shu
Citation:  Xinyu Xu, Jiale Lu, Bo Su, Jiayi Chen, Xiong Chen, Sibo Wang. Steering charge dynamics and surface reactivity for photocatalytic selective methane oxidation to ethane over Au/Ti-CeO2[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2025, 41(11): 100153. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100153 shu

调控电荷动力学与表面反应性用于Au/Ti-CeO2光催化甲烷选择性氧化制乙烷

    通讯作者: 陈佳义, jiayi9236@fzu.edu.cn; 陈雄, chenxiong987@fzu.edu.cn; 汪思波, sibowang@fzu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金 2237203

    国家自然科学基金 22302039

    111计划 D16008

摘要: 温和条件下甲烷选择性氧化制备高附加值化学品是一条可持续但极具挑战的路径,其瓶颈在于CH4活化能垒高且易发生过度氧化。本研究通过Ti掺杂与Au负载的协同策略,构建了高效Au/Ti-CeO2光催化剂用于甲烷氧化偶联制乙烷。优化后的催化剂在20次循环反应中保持稳定,C2H6产率达2971.4 μmol·g−1·h−1,C2+选择性达85.1%。原位X射线光电子能谱、电子顺磁共振和漫反射红外傅里叶变换光谱分析表明:Ti掺杂向CeO2中引入杂质能级,通过内建电场促进电子定向迁移至表面金纳米颗粒(Au NPs);Au NPs作为电子富集位点可活化O2、促进*CH3自由基偶联为C2H6并稳定活性中间体,从而增强电荷分离并抑制中间体过度氧化。该研究揭示了元素掺杂与助催化剂协同调控电荷动力学和表面反应活性对实现高效光催化甲烷转化的重要作用。

English

    1. [1]

      D. Saha, H. A. Grappe, A. Chakraborty, G. Orkoulas, Chem. Rev. 116 (2016) 11436, http://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00745. doi: 10.1021/acs.chemrev.5b00745

    2. [2]

      X. Meng, X. Cui, N. P. Rajan, L. Yu, D. Deng, X. Bao, Chem 5 (2019) 2296, http://doi.org/10.1016/j.chempr.2019.05.008. doi: 10.1016/j.chempr.2019.05.008

    3. [3]

      X. Li, C. Wang, J. Tang, Nat. Rev. Mater 7 (2022) 617, http://doi.org/10.1038/s41578-022-00422-3. doi: 10.1038/s41578-022-00422-3

    4. [4]

      Y. Jiang, S. Li, Y. Fan, Z. Tang, Angew. Chem. Int. Ed. 63 (2024) e202404658, http://doi.org/10.1002/anie.202404658. doi: 10.1002/anie.202404658

    5. [5]

      H. Song, X. Meng, Z. J. Wang, H. Liu, J. Ye, Joule 3 (2019) 1606, http://doi.org/10.1016/j.joule.2019.06.023. doi: 10.1016/j.joule.2019.06.023

    6. [6]

      S. Nie, L. Wu, X. Wang, J. Am. Chem. Soc. 145 (2023) 23681, http://doi.org/10.1021/jacs.3c07984. doi: 10.1021/jacs.3c07984

    7. [7]

      G. Wang, X. Mu, R. Tan, Z. Pan, J. Li, Q. Zhan, R. Fu, S. Song, L. Li, ACS Catal. 13 (2023) 11666, http://doi.org/10.1021/acscatal.3c02192. doi: 10.1021/acscatal.3c02192

    8. [8]

      W. Fu, S. Wang, Y. Zhang, B. Cheng, Y. Wu, J. Mater. Sci. Technol. 232 (2025) 181, http://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.081. doi: 10.1016/j.jmst.2024.12.081

    9. [9]

      H. Ran, X. Liu, L. Ye, J. Fan, B. Zhu, Q. Xu, Y. Wei, J. Mater. Sci. Technol. 234 (2025) 24, http://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.089. doi: 10.1016/j.jmst.2024.12.089

    10. [10]

      J. Tian, C. Guan, Q. Zhang, T. Sun, H. Hu, E. Liu, J. Mater. Sci. Technol. 231 (2025) 308, http://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.102. doi: 10.1016/j.jmst.2024.12.102

    11. [11]

      W. Zhong, A. Meng, Y. Su, H. Yu, P. Han, J. Yu, Angew. Chem. Int. Ed. 64 (2025) e202425038, http://doi.org/10.1002/anie.202425038. doi: 10.1002/anie.202425038

    12. [12]

      W. Li, Z. Ni, O. Akdim, T. Liu, B. Zhu, P. Kuang, J. Yu, Adv. Mater. 37 (2025) 2503742, http://doi.org/10.1002/adma.202503742. doi: 10.1002/adma.202503742

    13. [13]

      W. Chen, S.-Z. Lin, Z. Song, G.-B. Huang, M. Zhang, J. Mater. Sci. Technol. 232 (2025) 246, http://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.092. doi: 10.1016/j.jmst.2024.12.092

    14. [14]

      H. Li, J. Zhang, X. Zhou, Z. Wu, L. Zhang, J. Mater. Sci. Technol. 231 (2025) 1, http://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.076. doi: 10.1016/j.jmst.2024.12.076

    15. [15]

      X. Xu, C. Shao, J. Zhang, Z. Wang, K. Dai, Acta Phys. Chim. Sin. 40 (2024) 2309031, http://doi.org/10.3866/PKU.WHXB202309031. doi: 10.3866/PKU.WHXB202309031

    16. [16]

      S. Cao, B. Zhong, C. Bie, B. Cheng, F. Xu, Acta Phys. Chim. Sin. 40 (2024) 2307016, http://doi.org/10.3866/PKU.WHXB202307016. doi: 10.3866/PKU.WHXB202307016

    17. [17]

      X. Zhang, J. Xu, H. Long, J. Yu, H. Yu, ACS Catal. 14 (2024) 18669, http://doi.org/10.1021/acscatal.4c05674. doi: 10.1021/acscatal.4c05674

    18. [18]

      Y. Zhao, Y. Zhang, L. Wang, C. Ai, J. Zhang, J. Mater. Sci. Technol. 229 (2025) 213, http://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.040. doi: 10.1016/j.jmst.2024.12.040

    19. [19]

      X. Deng, J. Zhang, K. Qi, G. Liang, F. Xu, J. Yu, Nat. Commun 15 (2024) 4807, http://doi.org/10.1038/s41467-024-49004-7. doi: 10.1038/s41467-024-49004-7

    20. [20]

      S. Wan, W. Wang, B. Cheng, G. Luo, Q. Shen, J. Yu, J. Zhang, S. Cao, L. Zhang, Nat. Commun 15 (2024) 9612, http://doi.org/10.1038/s41467-024-53951-6. doi: 10.1038/s41467-024-53951-6

    21. [21]

      X. Deng, Z. Wen, X. Li, W. Macyk, J. Yu, F. Xu, Small 20 (2024) 2305410, http://doi.org/10.1002/smll.202305410. doi: 10.1002/smll.202305410

    22. [22]

      K. Meng, J. Zhang, B. Zhu, C. Jiang, H. García, J. Yu, Adv. Mater. 37 (2025) 2505088, http://doi.org/10.1002/adma.202505088. doi: 10.1002/adma.202505088

    23. [23]

      Z. Meng, J. Zhang, H. Long, H. García, L. Zhang, B. Zhu, J. Yu, Angew. Chem. Int. Ed. 64 (2025) e202505456, http://doi.org/10.1002/anie.202505456. doi: 10.1002/anie.202505456

    24. [24]

      H. He, Z. Wang, J. Zhang, S. Mamatkulov, O. Ruzimuradov, K. Dai, J. Low, Y. Li, Energy Environ. Sci. 18 (2025) 6191, http://doi.org/10.1039/D5EE01295C. doi: 10.1039/D5EE01295C

    25. [25]

      Y. Cui, J. Zhang, H. Chu, L. Sun, K. Dai, Acta Phys. Chim. Sin. 40 (2024) 2405016, https://doi.org/10.3866/PKU.WHXB202405016. doi: 10.3866/PKU.WHXB202405016

    26. [26]

      C. Chen, J. Zhang, H. Chu, L. Sun, G. Dawson, K. Dai, Chin. J. Catal. 63 (2024) 81, https://doi.org/10.1016/S1872-2067(24)60072-0. doi: 10.1016/S1872-2067(24)60072-0

    27. [27]

      P. Li, Y. Cui, Z. Wang, G. Dawson, C. Shao, K. Dai, Acta Phys. Chim. Sin. 41 (2025) 100065, https://doi.org/10.1016/j.actphy.2025.100065. doi: 10.1016/j.actphy.2025.100065

    28. [28]

      T. Yang, J. Wang, Z. Wang, J. Zhang, K. Dai, Chin. J. Catal. 58 (2024) 157, https://doi.org/10.1016/S1872-2067(23)64607-8. doi: 10.1016/S1872-2067(23)64607-8

    29. [29]

      Y. Liu, C. Chen, G. Dawson, J. Zhang, C. Shao, K. Dai, J. Mater. Sci. Technol. 233 (2025) 10, https://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.094. doi: 10.1016/j.jmst.2024.12.094

    30. [30]

      Y. Che, K. Wang, C. Wang, B. Weng, S. Chen, S. Meng, J. Mater. Sci. Technol. 243 (2026) 228, https://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.04.030. doi: 10.1016/j.jmst.2025.04.030

    31. [31]

      Z. Liu, Y. Bian, G. Dawson, J. Zhu, K. Dai, Chin. Chem. Lett. 36 (2025) 111272, https://doi.org/10.1016/j.cclet.2025.111272. doi: 10.1016/j.cclet.2025.111272

    32. [32]

      B. Su, S. Wang, W. Xing, K. Liu, S. F. Hung, X. Chen, Y. Fang, G. Zhang, H. Zhang, X. Wang, Angew. Chem. Int. Ed. 64 (2025) e202505453, http://doi.org/10.1002/anie.202505453. doi: 10.1002/anie.202505453

    33. [33]

      L. Luo, Z. Gong, Y. Xu, J. Ma, H. Liu, J. Xing, J. Tang, J. Am. Chem. Soc. 144 (2022) 740, http://doi.org/10.1021/jacs.1c09141. doi: 10.1021/jacs.1c09141

    34. [34]

      K. Zheng, Y. Li, B. Liu, F. Jiang, Y. Xu, X. Liu, Angew. Chem. Int. Ed. 61 (2022) e202210991, http://doi.org/10.1002/anie.202210991. doi: 10.1002/anie.202210991

    35. [35]

      B. Han, W. Wei, M. Li, K. Sun, Y. H. Hu, Chem. Commun. 55 (2019) 7816, http://doi.org/10.1039/C9CC04193A. doi: 10.1039/C9CC04193A

    36. [36]

      K. Shimura, H. Kawai, T. Yoshida, H. Yoshida, ACS Catal. 2 (2012) 2126, http://doi.org/10.1021/cs2006229. doi: 10.1021/cs2006229

    37. [37]

      X. Pan, X. Chen, Z. Yi, PCCP 18 (2016) 31400, http://doi.org/10.1039/C6CP04604E. doi: 10.1039/C6CP04604E

    38. [38]

      P. Li, Y. Xin, Q. Li, Z. Wang, Z. Zhang, L. Zheng, Environ. Sci. Technol. 46 (2012) 9600, http://doi.org/10.1021/es301661r. doi: 10.1021/es301661r

    39. [39]

      Q. Huang, J. Cai, F. Wei, Y. Fan, Z. Liang, K. Liu, X. F. Lu, Z. Ding, S. Wang, J. Mater. Chem. A 12 (2024) 21334, http://doi.org/10.1039/D4TA02049A. doi: 10.1039/D4TA02049A

    40. [40]

      Y. F. Wang, M. Y. Qi, M. Conte, Z. R. Tang, Y. J. Xu, Angew. Chem. Int. Ed. 63 (2024) e202407791, http://doi.org/10.1002/anie.202407791. doi: 10.1002/anie.202407791

    41. [41]

      B. Su, M. Zheng, W. Lin, X. F. Lu, D. Luan, S. Wang, X. W. Lou, Adv. Energy Mater. 13 (2023) 2203290, http://doi.org/10.1002/aenm.202203290. doi: 10.1002/aenm.202203290

    42. [42]

      B. Su, Y. Kong, S. Wang, S. Zuo, W. Lin, Y. Fang, Y. Hou, G. Zhang, H. Zhang, X. Wang, J. Am. Chem. Soc. 145 (2023) 27415, http://doi.org/10.1021/jacs.3c08311. doi: 10.1021/jacs.3c08311

    43. [43]

      C. Bie, C. Jiang, J. Yang, X. Sun, X. Zeng, J. Zhang, B. Zhu, J. Mater. Sci. Technol. 229 (2025) 48, http://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.047. doi: 10.1016/j.jmst.2024.12.047

    44. [44]

      C. Zhang, X. Tao, W. Jiang, J. Guo, P. Zhang, C. Li, R. Li, Acta Phys. Chim. Sin. 40 (2024) 2303034, http://doi.org/10.3866/PKU.WHXB202303034. doi: 10.3866/PKU.WHXB202303034

    45. [45]

      J. Su, J. Zhang, S. Chai, Y. Wang, S. Wang, Y. Fang, Acta Phys. Chim. Sin. 40 (2024) 2408012, http://doi.org/10.3866/PKU.WHXB202408012. doi: 10.3866/PKU.WHXB202408012

    46. [46]

      E. Lu, J. Tao, C. Yang, Y. Hou, J. Zhang, X. Wang, X. Fu, Acta Phys. Chim. Sin. 39 (2023) 2211029, http://doi.org/10.3866/PKU.WHXB202211029. doi: 10.3866/PKU.WHXB202211029

    47. [47]

      D. Gao, P. Deng, J. Zhang, L. Zhang, X. Wang, H. Yu, J. Yu, Angew. Chem. Int. Ed. 62 (2023) e202304559, http://doi.org/10.1002/anie.202304559. doi: 10.1002/anie.202304559

    48. [48]

      M. Zhou, H. Wang, R. Liu, Z. Liu, X. Xiao, W. Li, C. Gao, Z. Lu, Z. Jiang, W. Shi, et al., Angew. Chem. Int. Ed. 63 (2024) e202407468, http://doi.org/10.1002/anie.202407468. doi: 10.1002/anie.202407468

    49. [49]

      Y. F. Wang, M. Y. Qi, M. Conte, Z. R. Tang, Y. J. Xu, Angew. Chem. Int. Ed. 62 (2023) e202304306, http://doi.org/10.1002/anie.202304306. doi: 10.1002/anie.202304306

    50. [50]

      F. Sun, Y. Luo, S. Kuang, M. Zhou, W. K. Ho, H. Tang, J. Mater. Sci. Technol. 229 (2025) 287, http://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.060. doi: 10.1016/j.jmst.2024.12.060

    51. [51]

      F. Liu, J. Deng, B. Su, K.-S. Peng, K. Liu, X. Lin, S.-F. Hung, X. Chen, X. F. Lu, Y. Fang, et al., ACS Catal. 15 (2025) 1018, http://doi.org/10.1021/acscatal.4c06685. doi: 10.1021/acscatal.4c06685

    52. [52]

      J. Cai, X. Li, B. Su, B. Guo, X. Lin, W. Xing, X. F. Lu, S. Wang, J. Mater. Sci. Technol. 234 (2025) 82, http://doi.org/10.1016/j.jmst.2025.01.050. doi: 10.1016/j.jmst.2025.01.050

    53. [53]

      X. Xia, Y. Jia, W. Wang, J. Zhang, L. Wang, Q. Liu, J. Mater. Sci. Technol. 236 (2025) 301, http://doi.org/10.1016/j.jmst.2024.12.093. doi: 10.1016/j.jmst.2024.12.093

    54. [54]

      M. Xiao, L. Wang, H. Wang, J. Yuan, X. Chen, Z. Zhang, X. Fu, W. Dai, Catal. Sci. Technol. 13 (2023) 4148, http://doi.org/10.1039/D3CY00515A. doi: 10.1039/D3CY00515A

    55. [55]

      M. Sun, Y. Chen, X. Fan, D. Li, J. Song, K. Yu, Z. Zhao, Nat. Commun. 15 (2024) 9900, http://doi.org/10.1038/s41467-024-54226-w. doi: 10.1038/s41467-024-54226-w

    56. [56]

      C. Wang, Y. Xu, L. Xiong, X. Li, E. Chen, T. J. Miao, T. Zhang, Y. Lan, J. Tang, Nat. Commun. 15 (2024) 7535, http://doi.org/10.1038/s41467-024-51690-2. doi: 10.1038/s41467-024-51690-2

    57. [57]

      Y. Liu, W. Xue, X. Liu, F. Wei, X. Lin, X. F. Lu, W. Lin, Y. Hou, G. Zhang, S. Wang, Small 20 (2024) 2402004, http://doi.org/10.1002/smll.202402004. doi: 10.1002/smll.202402004

    58. [58]

      F. Wei, J. Zhao, Y. C. Liu, Y. H. Hsu, S. F. Hung, J. Fu, K. Liu, W. Lin, Z. Yu, L. Tan, et al., Nat. Commun. 16 (2025) 6586, http://doi.org/10.1038/s41467-025-61634-z. doi: 10.1038/s41467-025-61634-z

    59. [59]

      J. Li, J. Zhao, S. Wang, K. S. Peng, B. Su, K. Liu, S. F. Hung, M. Huang, G. Zhang, H. Zhang, et al., J. Am. Chem. Soc. 147 (2025) 14705, http://doi.org/10.1021/jacs.5c03098. doi: 10.1021/jacs.5c03098

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  123
  • HTML全文浏览量:  22
文章相关
  • 发布日期:  2025-11-15
  • 收稿日期:  2025-07-19
  • 接受日期:  2025-08-06
  • 修回日期:  2025-08-04
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