光催化甲烷转化研究进展

许振民 卞振锋

引用本文: 许振民, 卞振锋. 光催化甲烷转化研究进展[J]. 物理化学学报, 2020, 36(3): 1907013-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907013 shu
Citation:  Xu henmin, Bian Zhenfeng. Photocatalytic Methane Conversion[J]. Acta Physico-Chimica Sinica, 2020, 36(3): 1907013-0. doi: 10.3866/PKU.WHXB201907013 shu

光催化甲烷转化研究进展

    作者简介:
    卞振锋教授,博士生导师,2012年入选上海市“东方学者”特聘教授,2013年入选上海市曙光学者,2015年获得国家优秀青年科学基金。一直从事光催化净化环境研究,涉及光催化剂合成方法学、污染物降解机理和实际应用。至今以第一/通讯作者发表SCI论文30余篇,包括Environ. Sci. Technol.Nature Commun.J. Am. Chem. Soc.Angew. Chem. Int. Ed.等,论文他引近5000次,8篇为ESI论文; 荣获2015年度上海市自然科学一等奖,排名第二; 获2013–2014年度太阳能光化学与光催化研究领域优秀青年奖;
    通讯作者: 卞振锋, bianzhenfeng@shnu.edu.cn
  • 基金项目:

    国家自然科学基金(21876114, 21761142011, 51572174), 上海市科委国际合作项目(19160712900);资源化学国际合作联合实验室(IJLRC)与上海市东方学者人才计划资助项目

摘要: 甲烷催化转化为高附加值产物、实现甲烷高效利用,具有重要的研究意义及工业应用价值。长期以来,如何在较温和的条件下将甲烷转化为其它更有价值的有机衍生物,如醇、芳烃、长链烷烃和烯烃等,是催化、化学及化工领域的热点和难点课题之一。光催化反应由光能激发产生光生电子和空穴,参与到甲烷C―H键活化和自由基形成,这为低温甲烷转化提供新的途径,本文主要围绕甲烷氧化和偶联反应,总结了近年来光催化研究进展,并对如何进一步提高光催化性能提出展望。

English

    1. [1]

      Xiao, G.; Guan, F.; Gang, L.; Hao, M.; Hong, F.; Liang, Y.; Chao, M.; Xing, W.; De, D.; Ming, W.; et al. Science 2014, 334, 616. doi: 10.1126/science.1253150 doi: 10.1126/science.1253150

    2. [2]

      Golisz, S. R.; Brent, G. T.; Goddard, W. A.; Groves, J. T.; Periana, R. A. Catal. Lett. 2010, 141, 213. doi: 10.1007/s10562-010-0499-5 doi: 10.1007/s10562-010-0499-5

    3. [3]

      Patrick, G.; Michel, P. Appl. Catal. B: Environ. 2002, 39, 1. doi: 10.1016/S0926-3373(02)00076-0 doi: 10.1016/S0926-3373(02)00076-0

    4. [4]

      Cullis, C. F.; Willatt, B. M. J. Cat. 1983, 83, 267. doi: 10.1016/0021-9517(83)90054-4 doi: 10.1016/0021-9517(83)90054-4

    5. [5]

      Andrey, J. Z.; Jackie, Y. Y. Nature 2000, 43, 6765. doi: 10.1038/47450 doi: 10.1038/47450

    6. [6]

      Tao, F. F.; Shan, J. J.; Nguyen, L.; Wang, Z.; Zhang, S.; Zhang, L.; Wu, Z.; Huang, W.; Zeng, S.; Hu, P. Nat. Commun. 2015, 6, 7798. doi: 10.1038/ncomms8798 doi: 10.1038/ncomms8798

    7. [7]

      Wang, H.; Chen, C.; Zhang, Y.; Peng, L.; Ma, S.; Yang, T.; Guo, H.; Zhang, Z.; Su, D. S.; Zhang, J. Nat. Commun. 2015, 6, 7181. doi: 10.1038/ncomms8181 doi: 10.1038/ncomms8181

    8. [8]

      Cargnello, M.; Delgado, J. J.; Hernandez, J. C. Bakhmutsky, K.; Montini, T.; Calvino, J. J.; Gorte, R. J.; Fornasiero, P. Science 2012, 337, 713. doi: 10.1126/science.1222887 doi: 10.1126/science.1222887

    9. [9]

      Narsimhan, K.; Iyoki, K.; Dinh, K.; Roman, L. Y. ACS Cent. Sci. 2016, 2, 424. doi: 10.1021/acscentsci.6b00139 doi: 10.1021/acscentsci.6b00139

    10. [10]

      Baek, J.; Rung, B.; Pei, X.; Park, M.; Fakra, S. C.; Liu, Y. S.; Matheu, R.; Alshmimri, S. A.; Alshehri, S; Trickett, C. A.; et al. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 18208. doi: 10.1021/jacs.8b11525 doi: 10.1021/jacs.8b11525

    11. [11]

      Chen, X.; Li, Y.; Pan, X.; Cortie, D.; Huang, X.; Yi, Z. Nat. Commun. 2016, 7, 12273. doi: 10.1038/ncomms12273 doi: 10.1038/ncomms12273

    12. [12]

      Shan, J.; Li, M.; Allard, L. F.; Lee, S.; Flytzani, S. M. Nature 2017, 551, 605. doi: 10.1038/nature24640 doi: 10.1038/nature24640

    13. [13]

      Sh, Q. W.; Xian, T.; Ju, C. H.; Wang, L.; Zhang, J. L. J. Am. Chem. Soc. 2019, 141, 6592. doi: 10.1021/jacs.8b13858 doi: 10.1021/jacs.8b13858

    14. [14]

      Ji, X.; Jin, R.; Li, A.; Bi, Y.; Ruan, Q.; Deng, Y.; Zhang, Y.; Yao, S.; Sankar, G.; Ma, D.; Tang, J. Nat. Catal. 2018, 1, 889. doi: 10.1038/s41929-018-0170-x doi: 10.1038/s41929-018-0170-x

    15. [15]

      Hansan, L.; Chao, S.; Lei, Z.; Jiu, Z.; Hai, W.; Wilkinson, D. P. J. Power Sources 2006, 155, 95. doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.01.030 doi: 10.1016/j.jpowsour.2006.01.030

    16. [16]

      Nishth, A.; Simon, J. F.; Rebecca, U. M.; Sultan, M. A.; Nikolaos, D.; Qian, H.; David, J. M.; Robert, L. J.; David, J. W.; Stuart, H. T.; et al. Science 2017, 358, 223. doi: 10.1126/science doi: 10.1126/science

    17. [17]

      Newton, M. A.; Knorpp, A. J.; Pinar, A. B.; Sushkevich, V. L.; Palagin, D.; Bokhoven, J. A. J. Am. Chem. Soc. 2018, 140, 10090. doi: 10.1021/jacs.8b05139 doi: 10.1021/jacs.8b05139

    18. [18]

      Vanelderen, P.; Snyder, B. E.; Tsai, M. L.; Hadt, R. G.; Van, J.; Coussens, O.; Schoonheydt, R. A.; Sels, B. F.; Solomon, E. I. J. Am. Chem. Soc. 2015, 137, 6383. doi: 10.1021/jacs.5b02817 doi: 10.1021/jacs.5b02817

    19. [19]

      Snyder, B. E.; Vanelderen, P.; Bols, M. L.; Hallaert, S. D.; Bottger, L. H.; Ungur, L.; Pierloot, K.; Schoonheydt, R. A.; Sels, B. F.; Solomon, E. I. Nature 2016, 536, 317. doi: 10.1038/nature19059 doi: 10.1038/nature19059

    20. [20]

      Michael, M.; Thomas, S.; Wolf, A. H. Angew. Chem. Int. Ed. 2002, 41, 1475. doi: 10.1002/1521-3773 doi: 10.1002/1521-3773

    21. [21]

      Vitaly, L. S.; Dennis, P.; Marco, R.; Jeroen, A. B. Science 2017, 356, 523. doi: 10.1126/science.aam9035 doi: 10.1126/science.aam9035

    22. [22]

      Huang, W.; Zhang, S.; Tang, Y.; Li, Y.; Nguyen, L.; Li, Y.; Shan, J.; Xiao, D.; Gagne, R.; Anatoly, I. F.; et al. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 13441. doi: 10.1002/anie.201604708 doi: 10.1002/anie.201604708

    23. [23]

      Zimmermann, T.; Soorholtz, M.; Bilke, M.; Schuth, F. J. Am. Chem. Soc. 2016, 138, 12395. doi: 10.1021/jacs.6b05167 doi: 10.1021/jacs.6b05167

    24. [24]

      Rahim, M. H.; Armstrong, R. D.; Hammond, C.; Dimitratos, N.; Freakley, S. J.; Forde, M. M.; Morgan, D. J.; Lalev, G.; Jenkins, R. L.; Lopez, J. A.; et al. Catal. Sci. Technol. 2016, 6, 3410. doi: 10.1039/c5cy01586c doi: 10.1039/c5cy01586c

    25. [25]

      Liu, C.; Mou, C. Y.; Yu, S. F.; Chan, S. I. Energy Environ. Sci. 2016, 9, 1361. doi: 10.1039/c5ee03372a doi: 10.1039/c5ee03372a

    26. [26]

      Grundner, S.; Markovits, M. A.; Li, G.; Tromp, M.; Pidko, E. A.; Hensen, E. J.; Jentys, A.; Sanchez, M.; Lercher, J. A. Nat. Commun. 2015, 6, 7546. doi: 10.1038/ncomms8546 doi: 10.1038/ncomms8546

    27. [27]

      Kaliaguine, S. L.; Shelomov. B. N.; Kazansky. V. B. J. Catal. 1978, 55, 384. doi: 10.1016/0021-9517(78)90225-7 doi: 10.1016/0021-9517(78)90225-7

    28. [28]

      Heactor, H. L.; Agustõan, M. Catal. Lett. 2002, 83, 37. doi: 10.1023/A:1020649313699 doi: 10.1023/A:1020649313699

    29. [29]

      Hu, Y.; Nagai, Y.; Rahmawaty, D.; Wei, C.; Anpo, M. Catal. Lett. 2008, 124, 80. doi: 10.1007/s10562-008-9491-8: doi: 10.1007/s10562-008-9491-8:

    30. [30]

      Richard, P. N.; Charles, E. T.; Joseph, R. D. Catal. Today 1997, 33, 167. doi: 10.1016/S0920-5861(96)00155-1 doi: 10.1016/S0920-5861(96)00155-1

    31. [31]

      Villa, K.; Murcia, L. S.; Remon, M. J.; Andreu, T. Appl. Catal. B: Environ. 2016, 187, 30. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.01.032 doi: 10.1016/j.apcatb.2016.01.032

    32. [32]

      Xuan, L.; Chen, G.; Liang, Y.; Zhen, J.; Jin, L. Adv. Funct. Mater. 2010, 20, 2815. doi: 10.1002/adfm.201000792 doi: 10.1002/adfm.201000792

    33. [33]

      Chen, Y.; Zeng, D.; Zhang, K.; Lu, A.; Wang, L.; Peng, D. L. Nanoscale 2014, 6, 874. doi: 10.1039/c3nr04558g doi: 10.1039/c3nr04558g

    34. [34]

      Li, G.; Tang, Z. Nanoscale 2014, 6, 3995. doi: 10.1039/c3nr06787d doi: 10.1039/c3nr06787d

    35. [35]

      Reza, G. M.; Dinh, C. T.; Beland, F.; Do, T. O. Nanoscale 2015, 7, 8187. doi: 10.1039/c4nr07224c doi: 10.1039/c4nr07224c

    36. [36]

      Amiri, O.; Salavati, N. M.; Mir, N.; Beshkar, F.; Saadat, M.; Ansari, F. Renewable Energy 2018, 125, 590. doi: 10.1016/j.renene.2018.03.003 doi: 10.1016/j.renene.2018.03.003

    37. [37]

      Qing, Q.; Hong, Y.; Zheng, J.; Gong, L.; Ying, B. RSC Adv. 2014, 4, 59114. doi: 10.1039/c4ra09355k doi: 10.1039/c4ra09355k

    38. [38]

      Na, T.; Zhi, Z.; Shi, S.; Yong, D.; Zhong, W. Science 2007, 316, 732. doi: 10.1126/science.1140484 doi: 10.1126/science.1140484

    39. [39]

      Hameed, A.; Ismail, I. M.; Aslam, M.; Gondal, M. A. Appl. Catal. A: Gen. 2014, 470, 327. doi: 10.1016/j.apcata.2013.10.045 doi: 10.1016/j.apcata.2013.10.045

    40. [40]

      Xiao, J. D.; Han, L.; Luo, J.; Yu, S. H.; Jiang, H. L. Angew. Chem. Int. Ed. 2018, 57, 1103. doi: 10.1002/anie.201711725 doi: 10.1002/anie.201711725

    41. [41]

      Wang, Y.; Suzuki, H.; Xie, J.; Tomita, O.; Martin, D. J.; Higashi, M.; Kong, D.; Abe, R.; Tang, J. Chem. Rev. 2018, 118, 5201. doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00286 doi: 10.1021/acs.chemrev.7b00286

    42. [42]

      Guo, L.; Yang, Z.; Marcus, K.; Li, Z.; Luo, B.; Zhou, L.; Wang, X.; Du, Y.; Yang, Y. J. Am. Chem. Soc. 2018, 11, 106. doi: 10.1039/c7ee02464a: doi: 10.1039/c7ee02464a:

    43. [43]

      Qian, C.; Long, C.; Juan, Q.; Ying, T.; Yi, L.; Chao, X.; Jin, N.; Wen, L. Chin. Chem. Lett. 2019, 06, 1214. doi: 10.1016/j.cclet.2019.03.002 doi: 10.1016/j.cclet.2019.03.002

    44. [44]

      Murcia, L. S.; Bacariza, M. C.; Villa, K.; Lopes, J. M.; Morante, J. R.; Andreu, T. ACS Catal. 2017, 7, 2878. doi: 10.1021/acscatal.6b03535 doi: 10.1021/acscatal.6b03535

    45. [45]

      Villa, K.; S, M. L.; Andreu, T.; Remon, M. J. Appl. Catal. B: Environ. 2015, 163, 150. doi: 10.1016/j.apcatb.2014.07.055 doi: 10.1016/j.apcatb.2014.07.055

    46. [46]

      Xu, Z. M.; Zheng, Ru.; Chen, Y.; Zhu, J.; Bian Z. F. Chin. J. Catal. 2019, 40, 631. doi: S1872-2067(19)63309-7

    47. [47]

      Shi, F.; Tse, M. K.; Pohl, M. M.; Bruckner, A.; Zhang, S.; Beller, M. Angew. Chem. Int. Ed. 2007, 46, 8866. doi: 10.1002/anie.200703418 doi: 10.1002/anie.200703418

    48. [48]

      Wang, T.; Yang, G.; Liu, J.; Yang, B.; Ding, S.; Yan, Z.; Xiao, T. Appl. Surf. Sci. 2014, 311, 314. doi: 10.1016/j.apsusc.2014.05.060 doi: 10.1016/j.apsusc.2014.05.060

    49. [49]

      Eunsung, K.; Scott, G. H. Environ. Sci. Technol. 2009, 43, 1493. doi: 10.1021/es802360f doi: 10.1021/es802360f

    50. [50]

      Qian, X.; Ren, M.; Zhu, Y.; Yue, D.; Han, Y.; Jia, J.; Zhao, Y. Environ. Sci. Technol. 2017, 51, 3993. doi: 10.1021/acs.est.6b06429 doi: 10.1021/acs.est.6b06429

    51. [51]

      Hems, R. F.; Hsieh, J. S.; Slodki, M. A.; Zhou, S.; Abbatt, J. P. Environ. Sci. Technol. Lett. 2017, 4, 439. doi: 10.1021/acs.estlett.7b00381 doi: 10.1021/acs.estlett.7b00381

    52. [52]

      Jian, Z.; Jie, R.; Yuning, H.; Zhen, F. B.; He, L. J. Phys. Chem. C 2007, 111, 18965. doi: 10.1021/jp0751108 doi: 10.1021/jp0751108

    53. [53]

      Yue, Z.; Yang, S.; Ying, W.; Ji, B.; Mcpherson, G. L.; John, V. T. RSC Adv. 2017, 7, 39049. doi: 10.1039/c7ra06621j doi: 10.1039/c7ra06621j

    54. [54]

      Isaac, B.; Maxime, S. Angew. Chem. Int. Ed. 2016, 55, 12873. doi: 10.1002/anie.201607216 doi: 10.1002/anie.201607216

    55. [55]

      Spannring, P.; Yazerski, V.; Bruijnincx, P. C. A.; Weckhuysen, B. M.; Klein, R. J. M. Chem. Eur. J. 2013, 19, 15012. doi: 10.1002/chem.201301371 doi: 10.1002/chem.201301371

    56. [56]

      Eric, M. F. Science 2012, 6105, 340. doi: 10.1126/science.1226840 doi: 10.1126/science.1226840

    57. [57]

      Vasant, R. C.; Anil, K. K.; Tushar, V. C. Science 1997, 275, 1286. doi: 10.1126/science.275.5304.1286 doi: 10.1126/science.275.5304.1286

    58. [58]

      Shimura, K.; Yoshida, H. Catal. Surv. Asia 2014, 18, 24. doi: 10.1007/s10563-014-9165-z doi: 10.1007/s10563-014-9165-z

    59. [59]

      Yuliati, L.; Itoh, H.; Yoshida, H. Chem. Phy. Lett. 2008, 452, 178. doi: 10.1016/j.cplett.2007.12.051 doi: 10.1016/j.cplett.2007.12.051

    60. [60]

      Yuko, K.; Yoshida, H.; Tadashi, H. Chem. Commun. 1998, 21, 2389. doi: 10.1039/A806825I doi: 10.1039/A806825I

    61. [61]

      Yuliati, L.; Tsubota, M.; Satsuma, A.; Itoh, H.; Yoshida H. J. Catal. 2006, 238, 214. doi: 10.1016/j.jcat.2005.12.002 doi: 10.1016/j.jcat.2005.12.002

    62. [62]

      Yoshida, H.; Matsushita, N.; Kato, Y.; Hattori, T. J. Phys. Chem. B 2003, 107, 8355. doi: 10.1021/jp034458 doi: 10.1021/jp034458

    63. [63]

      Yuko, K.; Hisao, Y.; Atsushi, S.; Tadashi, H. Microporous Mesoporous Mat. 2002, 51, 223. doi: 10.1016/s1387-1811(02)00268-8 doi: 10.1016/s1387-1811(02)00268-8

    64. [64]

      Li, L.; Li, G. D.; Yan, C.; Mu, X. Y.; Pan, X. L.; Zou, X. X.; Wang, K. X.; Chen, J. S. Angew. Chem. Int. Ed. 2011, 50, 8299. doi: 10.1002/anie.201102320 doi: 10.1002/anie.201102320

    65. [65]

      Li, L.; Cai, Y. Y.; Li, G. D.; Mu, X. Y.; Wang, K. X.; Chen, J. S. Angew. Chem. Int. Ed. 2012, 51, 4702. doi: 10.1002/anie.201200045 doi: 10.1002/anie.201200045

    66. [66]

      Wei, H.; Shou, F.; Qun, L.; Yong, H. Science 1997, 277, 1287. doi: 10.1126/science.277.5330.1287 doi: 10.1126/science.277.5330.1287

    67. [67]

      Schafer, S.; Wyrzgol, S. A.; Caterino, R.; Jentys, A.; Schoell, S. J.; Haver, M.; Knop, A.; Lercher, J. A.; Sharp, I. D.; Stut, M. J. Am. Chem. Soc. 2012, 134, 12528. doi: 10.1021/ja3020132 doi: 10.1021/ja3020132

    68. [68]

      Li, L.; Fan, S.; Mu, X.; Mi, Z.; Li, C. J. Am. Chem. Soc. 2014, 136, 7793. doi: 10.1021/ja5004119 doi: 10.1021/ja5004119

    69. [69]

      Yu, L.; Shao, Y.; Li, D. Appl. Catal. B: Environ. 2017, 204, 216. doi: 10.1016/j.apcatb.2016.11.039 doi: 10.1016/j.apcatb.2016.11.039

    70. [70]

      Chen, Y.; Zhao, H.; Liu, B.; Yang, H. Appl. Catal. B: Environ. 2015, 163, 189. doi: 10.1016/j.apcatb.2014.07.044 doi: 10.1016/j.apcatb.2014.07.044

    71. [71]

      Zhang, B.; Wang, Z.; Huang, B.; Zhang, X.; Qin, X.; Li, H.; Dai, Y.; Li, Y. Chem. Mater. 2016, 28, 6613. doi: 10.1021/acs.chemmater.6b02639 doi: 10.1021/acs.chemmater.6b02639

    72. [72]

      Meng, L.; Chen, Z.; Ma, Z.; He, S.; Hou, Y.; Li, H.; Yuan, R.; Huang, X.; Wang, X.; Long, J. J. Am. Chem. Soc. 2018, 11, 294. doi: 10.1039/c7ee02951a doi: 10.1039/c7ee02951a

    73. [73]

      Zhou, Y.; Zhang, L.; Wang, W. Nat. Commun. 2019, 10, 506. doi: 10.1038/s41467-019-08454-0 doi: 10.1038/s41467-019-08454-0

  • 加载中
计量
  • PDF下载量:  1
  • 文章访问数:  118
  • HTML全文浏览量:  2
文章相关
  • 发布日期:  2020-03-15
  • 收稿日期:  2019-07-01
  • 接受日期:  2019-08-29
  • 修回日期:  2019-08-13
  • 网络出版日期:  2019-03-02
通讯作者: 陈斌, bchen63@163.com
  • 1. 

    沈阳化工大学材料科学与工程学院 沈阳 110142

  1. 本站搜索
  2. 百度学术搜索
  3. 万方数据库搜索
  4. CNKI搜索

/

返回文章