Wetenschap
Team moduleert de elektronische toestand van katalysatoren met één atoom door moleculaire CO-decoratie voor efficiënte methaanconversie
Directe methaanconversie heeft voordelen zoals een laag energieverbruik, minder processen en betere economieën. Het is echter moeilijk om methaan bij kamertemperatuur te activeren vanwege de hoge dissociatie-energie van C-H-bindingen van methaan. Bovendien zijn de doelproducten, zoals methanol, azijnzuur en andere oxygenaten, gevoelig voor overoxidatie, wat resulteert in de vorming van CO2 . Daarom is het ontwerp van katalysatoren met hoge activiteit en selectiviteit belangrijk.
In een onderzoek gepubliceerd in Angewandte Chemie International Edition , een groep onder leiding van prof. Zhang Tao, prof. Wang Xiaodong en Assoc. Prof. Huang Chuande van het Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) van de Chinese Academie van Wetenschappen (CAS) heeft in samenwerking met de groep van prof. Chang Chunran van de Xi'an Jiaotong Universiteit de efficiënte directe omzetting van methaan door middel van één atoom gerealiseerd. katalyse bij kamertemperatuur.
De onderzoekers stelden een strategie voor waarbij CO-molecuulmodificatie betrokken is om de elektronische structuur van de één-atoomkatalysator M1 te reguleren -ZSM-5 (M =Rh, Ru, Fe), wat de efficiëntie van directe methaanomzetting verbetert. Ze realiseerden de katalyserende methaanconversie met H2 O2 als oxidatiemiddel bij kamertemperatuur (25 °C). De omzetfrequentie (TOF) van Pd1 -ZSM-5 bereikte 207 uur -1 met bijna 100% selectiviteit voor oxygenaten.
Door experimentele karakterisering te combineren met berekeningen uit de dichtheidsfunctionaaltheorie (DFT), ontdekten de onderzoekers dat het C-atoom in het CO-molecuul de neiging heeft te coördineren met de Pd1 enkel atoom, waarbij elektronen van CO naar het actieve zuurstofcentrum L-Pd1 worden overgebracht -O (L =CO), resulterend in een verlaging van de dissociatiebarrière van C-H-bindingen van methaan, van 1,27 eV naar 0,48 eV.
Bovendien vertoonde deze strategie een goede universaliteit als TOF van de M1 -ZSM-5-katalysatoren (M =Rh, Ru, Fe) kunnen 3,2 tot 11,3 keer worden vergroot door modificatie van CO-moleculen.
"We hebben de elektronisch afstembare, door moleculaire zeef ondersteunde M1 ontwikkeld -O geïsoleerde actieve centra, die een nieuwe methode bieden om onder milde omstandigheden selectieve methaanomzetting in chemicaliën te bereiken", aldus prof. Wang.