本技术涉及一种新型p轨道金属非均相等离激元光催化剂及其制备技术,以及利用该催化剂实现饱和烷烃向乙酸转化的光催化方法。该技术突破了传统非均相等离激元光催化剂的合成限制,为光催化有机合成提供了新途径。
背景技术
随着经济和社会的迅速发展,传统化石燃料(如石油、煤、天然气等)的消耗日益增加,使得不可再生资源濒临枯竭;此外,化石燃料的燃烧过程中会释放大量的有害物质,危害人类健康,同时产生一系列环境问题,如温室效应、大气和水体污染等。因此,碳排放和能源危机问题已成为当今世界发展和进步的两大难题。为实现可持续发展,解决能源和环境问题,开发高效、清洁、低成本的甲烷活化及转化技术,已成为全球的研究热点。由于甲烷气体导致的温室效应是相同数量CO2
的20倍以上,因此,利用自然界中丰富的太阳能驱动甲烷转化,将同时满足碳基绿色能源和双碳目标的要求,是各种新型非常规策略中最令人期待的一种。
碳氢键活化是近年来发展迅速的热门领域。甲烷饱和C(sp3
)―H碳氢键的直接官能团化反应由于具有多种突出的优点以及巨大的挑战性,被誉为“化学的圣杯”,受到越来越多科学家的关注。用天然气替代石油生产液体燃料和基础化学品,一直以来都是科学界和产业界研发的重点。甲烷是天然气的主要成分,具有四面体对称性,饱和C(sp3
)―H键键能高达435kJ.mol-1
,是自然界中最稳定、最廉价的有机小分子,甲烷选择活化和定向转化一直是世界级难题。迄今为止,天然气的转化利用基本上还停留在传统的高温法,不仅投资大、能耗高,碳利用率低,而且在获得产物的同时放出大量二氧化碳,对生态环境产生很大影响。在无氧化剂参与,室温条件下实现甲烷的高效无氧活化和转化,是催化、绿色能源领域的一个重大挑战。
光氧化还原有机合成作为光催化领域的一个前沿方向,受到人们的广泛关注。到目前为止,这一领域依赖于有限范围的贵金属基发色团或人工有机染料的使用,而且过渡金属配合物发色团还存在均相催化难以回收、利用率低、成本高等问题。基于纳米金属表面等离子体共振效应的等离激元光催化剂,作为一类新型可见光响应的非均相催化剂,在太阳能转化为化学能方面显示出巨大的应用潜力。p-轨道金属负载在碳材料载体上,促进光生等离激元热电子与空穴的转移,实现载流子的高效分离,提高等离激元催化效率。通常过渡金属以及贵金属用于光催化氧化还原有机反应,以及碳氢活化转化。基于p-轨道金属非均相等离激元光催化剂,在小分子饱和轻烷烃的C(sp3
)―H活化转化领域至今没有得到应用。因此,制备、筛选、优化高性能的基于p-轨道金属非均相等离激元光催化剂,并将其应用于饱和轻烷烃的C(sp3
)―H活化转化,将是等离激元催化甲烷等饱和烷烃活化转化领域的重大突破。
实现思路