Direkt metanomvandling har fördelar som låg energiförbrukning, färre processer och bättre ekonomi. Det är dock svårt att aktivera metan vid rumstemperatur på grund av den höga dissociationsenergin hos metanbindningar med C-H. Dessutom är målprodukterna, såsom metanol, ättiksyra och andra oxygenater, benägna att överoxidera, vilket resulterar i generering av CO2 . Därför är utformningen av katalysatorer med hög aktivitet och selektivitet viktig.
I en studie publicerad i Angewandte Chemie International Edition , en grupp ledd av Prof. Zhang Tao, Prof. Wang Xiaodong och Assoc. Prof. Huang Chuande från Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) vid den kinesiska vetenskapsakademin (CAS), som samarbetar med Prof. Chang Chunrans grupp från Xi'an Jiaotong University, har insett den effektiva direkta omvandlingen av metan genom en enda atom katalys vid rumstemperatur.
Forskarna föreslog en strategi som involverade modifiering av CO-molekyler för att reglera den elektroniska strukturen hos enatomskatalysator M1 -ZSM-5 (M =Rh, Ru, Fe), vilket förbättrar effektiviteten av direkt metanomvandling. De insåg att katalysera metanomvandling med H2 O2 som ett oxidationsmedel vid rumstemperatur (25 °C). Omsättningsfrekvensen (TOF) för Pd1 -ZSM-5 nådde 207 h -1 med nästan 100 % selektivitet mot oxygenater.
Genom att kombinera experimentell karakterisering med beräkningar av densitetsfunktionella teorin (DFT) upptäckte forskarna att C-atomen i CO-molekylen tenderar att koordinera med Pd1 enkel atom, överför elektroner från CO till det aktiva syrecentret L-Pd1 -O (L =CO), vilket resulterar i en minskning av dissociationsbarriären för CH-bindningar av metan, från 1,27 eV till 0,48 eV.
Dessutom uppvisade denna strategi god universalitet som TOF för M1 -ZSM-5 (M =Rh, Ru, Fe) katalysatorer kan ökas med 3,2 till 11,3 gånger genom CO-molekylmodifiering.
"Vi har utvecklat den elektroniskt avstämbara molekylsiktsstödda M1 -O isolerade aktiva centra, vilket ger en ny metod för att uppnå selektiv metanomvandling till kemikalier under milda förhållanden, säger prof. Wang.
Mer information: Weibin Xu et al, Metal-Oxo Electronic Tuning via In Situ CO Decoration for Promoting Metan Conversion to Oxygenates over Single-Atom Catalysts, Angewandte Chemie International Edition (2024). DOI:10.1002/anie.202315343
Journalinformation: Angewandte Chemie International Edition
Tillhandahålls av Chinese Academy of Sciences
