Prof. Pan Yang und Associate Researcher Liu Chengyuan, Forscher der University of Science and Technology of China (USTC) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS), haben erhebliche Fortschritte bei der Erkennung von Zwischenprodukten in photokatalytischen Methanreaktionen erzielt. Ihre Technik, die Synchronous Radiation Photoionization Mass Spectrometry (SR-PIMS), ermöglicht den In-situ-Nachweis aktiver Zwischenprodukte. Die Ergebnisse wurden in der Zeitschrift veröffentlicht Angewandte Chemie Internationale Ausgabe am 23. Mai.
Methan, eine saubere und reichlich vorhandene Kohlenstoffressource, die aus Erdgas, Schiefergas und Methanhydraten gewonnen wird, birgt großes Potenzial für die Energie-, Chemie- und Umweltwissenschaften. Seine direkte Umwandlung in wertvolle Chemikalien durch Photokatalyse hat Aufmerksamkeit erregt. Allerdings stellt der Mangel an In-situ-Nachweismethoden, insbesondere für aktive Zwischenprodukte wie freie Radikale, eine Herausforderung dar.
Prof. Pan Yang und Assoc. Der Forscher Liu Chengyuan nutzte zusammen mit seinem Team die Photoionisierungstechnologie mit Synchrotronstrahlung, um eine massenspektrometrische Charakterisierungstechnik zur Erfassung aktiver Zwischenprodukte in der Gasphase in photokatalytischen Reaktionen zu entwickeln. Durch die Kombination eines rechteckigen photokatalytischen Reaktors mit Synchrotronstrahlung als Lichtquelle können mit dieser Technik Zwischenprodukte innerhalb weniger hundert Mikrosekunden während des Reaktionsprozesses nachgewiesen werden.
In den Experimenten wurde Ag-ZnO als Katalysator verwendet und die photokatalytische Reaktion wurde durch die Steuerung des Flusses von Methan, Sauerstoff und Helium eingeleitet. Gasphasenzwischenprodukte und stabile Produkte wurden durch massenspektrometrische Analyse nach Ablösung von der Katalysatoroberfläche nachgewiesen.
Die experimentellen Ergebnisse beobachteten direkt die durch fotogenerierte Löcher (O-) erzeugten Gasphasen-Methylradikale (•CH3) und ergaben eine deutliche Steigerung ihrer Produktion aufgrund der coadsorbierten Sauerstoffmoleküle. Darüber hinaus wurden Methanol (CH3OH), Formaldehyd (HCHO) und Methoxyradikale (CH3O•) als wichtige C1-Zwischenprodukte bei der photokatalytischen Oxidation von Methan identifiziert.
Die Selbstpolymerisationsreaktion von Methylradikalen in der Gasphase führte zur Bildung von Ethan, was auf die entscheidende Rolle der Abspaltung von Methylradikalen bei der hochselektiven Ethansynthese hinweist. Basierend auf den beobachteten Zwischenprodukten konnte das Team das Reaktionsnetzwerk von Methylradikalen bei der photokatalytischen Oxidation von Methan klar aufzeigen, was für die Untersuchung des Prozesses der photokatalytischen Umwandlung von Methan von großer Bedeutung ist.
Diese Arbeit entwickelte auf innovative Weise eine auf Synchrotronstrahlung basierende in-situ-photokatalytische Massenspektrometrie-Detektionstechnik, die das Einfangen von aktiven Zwischenprodukten in der Gasphase ermöglicht und den Mechanismus der photokatalytischen Umwandlungsreaktionen von Methan aufklärt. Die Forschung bietet auch breite Anwendungsaussichten für die Untersuchung der Mechanismen anderer photokatalytischer Reaktionssysteme.
Mehr Informationen:
Chengyuan Liu et al., Illustrating the Fate of Methyl Radical in photocatalytic Methane Oxidation over Ag-ZnO by in situ Synchrotron Radiation Photoionization Mass Spectrometry, Angewandte Chemie Internationale Ausgabe (2023). DOI: 10.1002/ange.202304352
Bereitgestellt von der University of Science and Technology of China