Новый катализатор из сплава палладия и золота превращает метан в этилен с помощью солнечного света

Фотокатализатор на основе сплава PdAu на TiO₂ обеспечивает высокую скорость производства этилена и конверсии метана. Автор: Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c17427

Исследователи добились двойной пользы с помощью одного катализатора. Они преобразовали метан (CH₄), мощный парниковый газ, в этилен (C₂H₄) — востребованное сырьё для промышленности, используя солнечный свет и новый кокатализатор на основе сплава палладия и золота (PdAu). Этот процесс не только удаляет нежелательный газ из атмосферы, но и превращает его в ценный ресурс с помощью солнечной энергии.

Метан является вторым по значимости фактором глобального потепления после углекислого газа, при этом его способность удерживать тепло значительно выше. В новом исследовании, опубликованном в Journal of the American Chemical Society, команда изучила, как различные катализаторы на основе палладия, золота и их сплава работают в реакции фотокаталитического окислительного сочетания метана.

Учёные обнаружили, что нанесение кокатализатора PdAu на поверхность широко используемого фотокатализатора — диоксида титана (TiO₂) — привело к скорости конверсии метана 13,73 ммоль·г^-1·ч^-1 и скорости производства этилена 0,18 ммоль·г^-1·ч^-1. Эти показатели превзошли большинство известных на сегодняшний день катализаторов для данного процесса.

Сайт адсорбции *C₂H₄ на (a) Au/TiO₂ и (b) PdAu/TiO₂. (c) Энергии переходного состояния для реакции сочетания *CH₂ на Au/TiO₂ и PdAu/TiO₂. Автор: Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c17427

Создание и разрыв углеродных связей

Большинство современных катализаторов для этого процесса успешно производят этан, но с трудом справляются с получением более ценного этилена. Ключом к решению этой задачи стало понимание того, как именно формируются углерод-углеродные связи.

Анализ показал, что сильное связывание между металлическим кокатализатором и углеводородными фрагментами является движущей силой быстрой и селективной конверсии метана. Сплав PdAu, нанесённый на TiO₂, значительно облегчил активацию метана, снизил энергию, необходимую для образования связи C–C, и способствовал генерации промежуточных частиц *CH₂. В совокупности эти факторы направили реакцию в сторону преимущественного образования этилена.

Исследователи отмечают, что эти результаты демонстрируют, как создание сплавов может быть мощной стратегией для улучшения конверсии метана и селективного производства экономически важных химических веществ.

Больше информации: Jiakang You et al, Tuning Reaction Pathway with Surface Metal Cocatalyst for Ethylene Production via Photocatalytic Methane Conversion, Journal of the American Chemical Society (2025). DOI: 10.1021/jacs.5c17427