中科大谢毅/孙永福Nano Lett.: 金属簇结合碳气凝胶，CH4部分光氧化性能高！

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中科大谢毅/孙永福Nano Lett.: 金属簇结合碳气凝胶，CH4部分光氧化性能高！
CH4分子具有稳定的规则四面体结构，C-H具有493.3 kJ mol-1的解离能约和2.84×10-40 C2 m2 J-1的低极化率，这导致在温和条件下CH4难以直接转化。太阳能驱动的光催化CH4部分氧化可以在常压和接近室温下进行。然而，光催化CH4部分氧化转化效率低，这主要归因于缓慢的多步电子转移动力学和C-H键难以活化，并且产物的选择性通常也难以控制。
基于此，中国科学技术大学谢毅、孙永福等设计了一种锚定在三维多孔碳气凝胶上的带正电荷的铁团簇(FeCA)，以实现高效光催化CH4部分氧化。
中科大谢毅/孙永福Nano Lett.: 金属簇结合碳气凝胶，CH4部分光氧化性能高！
中科大谢毅/孙永福Nano Lett.: 金属簇结合碳气凝胶，CH4部分光氧化性能高！
碳气凝胶的三维结构可以防止金属团簇聚集成纳米颗粒，而其多孔结构有利于CH4分子的吸附和产物的释放，可以避免产物的过氧化，从而提高产品选择性。
表征结果显示，由于高导电性碳气凝胶优异的光吸收性和高载流子迁移率，相应的碳原子很容易被光激发成激发态， 其可以接受来自金属簇离子Feδ+位点的电子，从而激活CH4分子中的C-H键以生成CH4–中间体。此外，原位DRIFTS光谱表明，通过CH4氧化形成的CH3*和CH3O*中间体的羟基化获得CH3OOH。
中科大谢毅/孙永福Nano Lett.: 金属簇结合碳气凝胶，CH4部分光氧化性能高！
基于这些优点，锚定在碳气凝胶上的铁团簇实现了高效的CH4部分光氧化成CH3OOH。在AM 1.5 G辐照下，优化的0.75FeCA800-4上CH3OOH的选择性接近100%，生成速率为13.2 mmol gFe-1 h-1，优于之前报道的大多数类似条件下的负载型催化剂。
简而言之，这项工作指出了一条显著加速在温和的条件下选择性CH4部分光氧化成CH3OOH的新途径。
Selective CH4 Partial Photooxidation by Positively Charged Metal Clusters Anchored on Carbon Aerogel under Mild Conditions. Nano Letters, 2021. DOI: 10.1021/acs.nanolett.1c03682

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