Rompre le compromis activité-sélectivité pour la photoconversion du CH4 en C2H6

La conversion photocatalytique du méthane (CH4) en éthane (C2H6) a attiré une attention considérable de la part du milieu académique et industriel. Typiquement, le couplage oxydatif traditionnel du CH4 (OCM) atteint une productivité élevée en C2H6, mais l'overoxydation inévitable limite la sélectivité du produit cible. Bien que le couplage non oxydatif traditionnel du CH4 (NOCM) puisse améliorer la sélectivité du produit, il rencontre néanmoins une activité insatisfaisante, résultant d'une thermodynamique défavorable. Pour briser le compromis activité-sélectivité, nous proposons un mécanisme conceptuellement nouveau de couplage du CH4 déclenché par le H2O2, où les radicaux ·OH dérivés du H2O2 sont rapidement consommés pour activer le CH4 en radicaux ·CH3 de manière exothermique, ce qui contourne les étapes endothermiques de l'activation directe du CH4 par les photoholes et l'interaction entre les radicaux ·CH3 et ·OH, confirmé par des techniques de caractérisation in situ, de la spectroscopie d'absorption transitoire aux femtosecondes et des calculs de théorie de la fonctionnelle de densité. Par ce biais, les nanosheets Au-WO3 conçus atteignent une productivité C2H6 sans précédent de 76.3 mol molAu–1 h–1 avec une sélectivité de 95.2 %, et un TON de 1542.7 (TOF = 77.1 h–1) dans un réacteur à flux auto-conçu, surpassant les photocatalyseurs précédemment rapportés indépendamment des voies OCM et NOCM. De plus, sous irradiation naturelle du soleil en extérieur, les nanosheets Au-WO3 présentent une activité et une sélectivité similaires pour la production de C2H6, montrant la possibilité d'applications pratiques. Fait intéressant, cette stratégie peut être appliquée à divers photocatalyseurs (Au-WO3, Au-TiO2, Au-CeO2, Pd-WO3 et Ag-WO3), montrant une certaine universalité. On s'attend à ce que le mécanisme proposé ajoute une nouvelle dimension à notre compréhension de la conversion du CH4 en C2H6.