La conversión catalítica de metano utilizando el omnipresente oxidante de agua limpia puede convertirse en una tecnología química in situ y bajo demanda para el uso ecológico del metano de una manera ambientalmente benigna y sostenible.
Sin embargo, el diseño racional de los fotocatalizadores de próxima generación se ve obstaculizado por la falta de comprensión a nivel molecular de la cinética redox impulsada por agujeros, sitios activos y el rendimiento catalítico resultante.
El grupo de investigación dirigido por Toshiki Sugimoto, profesor asistente en el Instituto de Ciencias Moleculares, demostró que los catalizadores de base metálica cargados en un fotocatalizador de semiconductores juegan un papel fundamental en la modulación de la cinética de oxidación superficial y la selectividad redox resultante.
El análisis de espectrometría de masas en tiempo real de productos gaseosos bajo presiones de metano controladas sistemáticamente reveló que Ga2a3 El fotocatalizador promovió principalmente la oxidación total de CH hacia CO2 en su superficie, mientras que el fotocatalizador cargado con Pd mostró mayor selectividad por C2h6 Mediante acoplamiento en fase gaseosa de • CH3.
Esta diferencia en la cinética de oxidación del metano fue confirmada por espectroscopía de absorción infrarroja que observó intermediarios superficiales en condiciones de trabajo. Además, el grupo de investigación demostró que el propio cocatalizador de Pt fue oxidado por los agujeros fotogenerados.
Estos resultados experimentales demostraron las funciones críticas de los catalizadores metálicos como reservorio de agujeros fotogenerados y un sitio de reacción eficiente para los procesos de oxidación del metano. En general, los cocatalizadores metálicos han sido reconocidos durante medio siglo como catalizadores de reducción que recolectan exclusivamente electrones fotogenerados y promueven reacciones de reducción como H2 desarrollo.
Sobre la base de esta suposición tradicional, se plantea la hipótesis de que los catalizadores metálicos acumulados en los agujeros actúan como centros de recombinación de carga y evitan la fotocatálisis. En cambio, este grupo de investigación comprobó que tanto H2 La evolución y la oxidación del metano fueron aceleradas por la carga catalítica del metal. Estos resultados experimentales indican que los electrones y huecos fotogenerados quedan atrapados por separado en diferentes partículas de catalizadores metálicos, al tiempo que evitan la recombinación de cargas y promueven las reacciones redox.
Así, la investigación sistemática del proceso de oxidación fotocatalítica del metano (es decir, el compuesto orgánico inerte y más simple) y el agua (es decir, una de las moléculas clave en la fotocatálisis) proporciona un nuevo modelo para el papel de los catalizadores metálicos en fotocatálisis y contribuye así al desarrollo de una estrategia de ingeniería de superficies basada en el catalizador cooperativo para el control de reacciones fotocatalíticas oxidación no térmica.
El artículo ha sido publicado en la revista Edición internacional de Angewandte Chemie.
más información:
Hikaru Saito et al, Más allá de las reducciones catalíticas: el papel fundamental de los catalizadores metálicos en la oxidación catalítica de metano con agua**, Edición internacional de Angewandte Chemie (2023). DOI: 10.1002/anie.202306058
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Edición internacional de Angewandte Chemie
Proporcionado por el Instituto Nacional de Ciencias Fisiológicas
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