钯单原子与梯度分布Ti3+协同增强电子-空穴传输实现CH4光催化氧化制含氧有机物

《ANGEWANDTE CHEMIE-INTERNATIONAL EDITION》：Synergistic Enhancement of Electron and Hole Transport by Pd Single Atoms and Gradient-Distributed Ti3+ Species for High-Performance Photocatalytic Oxidation of CH4 to Oxygenates

本研究针对甲烷光催化转化中电荷载流子利用率低的问题，开发了钯单原子与梯度分布Ti3+协同修饰的TiO2催化剂，实现了室温下8.14 mmol·gcat?1·h?1的C1含氧有机物产率（选择性91.3%），为天然气高值化利用提供了新策略。

　　

通过将原子级分散的钯（Pd SACs）与梯度分布的Ti³⁺物种精准集成到二氧化钛（TiO₂）基质中，研究人员成功构建了新型光催化体系。表征与理论计算表明：钯单原子作为电子传输枢纽显著加速电子转移过程，并促进氧气（O₂）解离生成活性氧物种；而梯度分布的Ti³⁺缺陷则形成空穴传输通道，促使空穴从体相高效迁移至催化剂表面。这种空间分离的电荷传输机制协同作用，有效激活甲烷（CH₄）的C─H键，促使甲基自由基（^•CH₃）与过氧羟基自由基（^•OOH）耦合生成过氧化甲醇（CH₃OOH），进而转化为甲醇和甲醛等高附加值液态含氧有机物。该工作为碳资源转化提供了电荷调控新范式。