Die direkte Umwandlung von CH4 und O2 in Mehrwertchemikalien ist für die Erdgasindustrie wichtig. Allerdings bleiben Herausforderungen bestehen, da die O2-Aktivierung unter milden Bedingungen schwierig ist, aktive Sauerstoffspezies für die CH4-Aktivierung zu bilden.
Kürzlich hat eine Forschungsgruppe unter der Leitung von Prof. Deng Dehui, Assoc. Prof. Cui Xiaoju und Yu Liang vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) realisierten die elektrochemische Umwandlung von CH4 durch O2 zu HCOOH bei Raumtemperatur. Diese Studie war veröffentlicht In Zeitschrift der American Chemical Society.
Die Forscher entwickelten eine Hochdruck-Elektro-Fenton-Strategie, um einen heterohomogenen Prozess für die elektrokatalytische Umwandlung von CH4 durch O2 bei Raumtemperatur zu etablieren. Sie zeigten, dass CH4 effizient durch ·OH aktiviert wurde, das durch eine heterogene Elektroreduktion von O2 zu H2O2 an der Ag-Folienkathode erzeugt wurde, gefolgt von einer homogenen Fe2+-unterstützten H2O2-Zersetzung.
Darüber hinaus fanden die Forscher heraus, dass der erhöhte Druck nicht nur die Produktivität von H2O2 aus der O2-Elektroreduktion verbesserte, sondern auch die Wahrscheinlichkeit einer Reaktionskollision zwischen CH4 und aktivem ·OH, das in situ aus der Fe2+-vermittelten Zersetzung von H2O2 erzeugt wurde, erhöhte.
Im Vergleich zum herkömmlichen elektrokatalytischen CH4-Umwandlungsprozess mit hohem Überpotential (>0,9 V) und niedrigem Faraday-Wirkungsgrad (< 60 %) erreichte der Hochdruck-Elektro-Fenton-Prozess einen HCOOH-Faraday-Wirkungsgrad von 81,4 % bei einem extrem niedrigen kathodischen Wirkungsgrad Überspannung von 0,38 V. Die HCOOH-Produktivität betrug 11,5 mmol h-1 gFe-1, was dem 220-fachen des Umgebungsdrucks entsprach.
„Diese Arbeit bietet einen neuen Weg zur energieeffizienten und nachhaltigen Umwandlung von CH4 durch die direkte Nutzung von O2 unter milden Bedingungen“, sagte Prof. Deng.
Mehr Informationen:
Yao Song et al., High-Pressure Electro-Fenton Driving CH4 Conversion by O2 at Room Temperature, Zeitschrift der American Chemical Society (2024). DOI: 10.1021/jacs.3c10825