我国科大在甲烷光催化反响中心体勘探办法学上取得重要开展

  甲烷在自然界有广泛的来历（包含天然气、页岩气、可燃冰等），是最清洁、最丰厚的天然碳资源，将气态甲烷转化为高的附加价值化学品，关于我国动力化工以及环境科学的开展均具有极端严重而深远的影响。光催化可在温文的条件下，将甲烷的C-H键开裂、活化，完成甲烷的直接转化，因而得到了快速的开展和广泛的重视。可是，针对光催化反响中活性中心体，尤其是自由基的原位查验测验手法仍然短缺。

  潘洋教授和刘成园副研讨员团队根据同步辐射光电离，开展了一种用于原位捕获光催化气相生动中心体的质谱表征技能。如图1所示，质料气体（甲烷/乙烷和氧气）和载气（氦气）经流量计引进长方体的光催化反响器，氙灯照耀引发光催化反响，气相中心体及安稳产品从催化剂外表脱附后，经过取样锥以分子束方式进入光电离室，被同步辐射真空紫外光电离后发生的离子被飞翔时间质谱检测。

  根据该同步辐射光电离质谱技能，以Ag/ZnO作为催化剂，甲烷的光催化氧化气相物种在11.8 eV和14.2 eV取得的质谱图如图2a-b所示，除了氧化反响终究产品水（H2O），一氧化碳（CO）和二氧化碳（CO2）之外，还勘探到甲基自由基（•CH3）、甲氧基自由基（CH3O•）、甲醇（CH3OH）、甲醛（HCHO）、乙烷（C2H6）、乙烯（C2H4）和乙炔（C2H2）等中心物种。因为同步辐射光能量接连可调，经过扫描光子能量可获取各个质谱峰的光电离功率曲线c-k），根据试验和拟合成果，还可对同分异构体进行区别。

  图2、（a-b）甲烷光催化氧化质谱图和（c-k）不同质谱峰的光电离功率谱

  为了进一步研讨甲基自由基的生成与二次转化进程，课题组经过改动甲烷光催化转化的氧气浓度，调查各种气相物种信号丰度的改变（图3）。在无氧环境下，甲基自由基丰度很低。参加氧气可捕获光生电子，以促进光催化剂外表光生电子和空穴的别离，继而使用添加的光生空穴进步甲烷的活化功率。跟着氧浓度的持续添加，C1物种包含甲基自由基、甲醇、甲醛、甲氧基以及C2物种乙烷、乙烯均持续添加。但是，当氧含量增至富氧环境后，初始生成的甲基自由基更倾向于经过甲醇、甲醛、甲氧基的中心体过度氧化为一氧化碳和二氧化碳。外表吸附生动的氧原子（*O），羟基（*OH）以及过氧负离子 (O2-)均或许参加甲烷的过度氧化反响中。

  该作业立异性地开展了根据同步辐射的原位光催化质谱勘探技能，捕获气相生动中心体，提醒了甲烷光催化转化反响机制，在其他光催化反响系统的机理研讨中亦有广泛的使用远景。论文榜首作者为刘成园副研讨员和钱兵博士生，潘洋教授为通讯作者。该作业得到了科技部要点研制方案、国家自然科学基金和我国科学院要害技能人才方案支撑。