Das Team moduliert den elektronischen Zustand von Einzelatomkatalysatoren durch molekulare CO-Dekoration für eine effiziente Methanumwandlung

Die direkte Methanumwandlung bietet Vorteile wie einen geringen Energieverbrauch, weniger Prozesse und eine bessere Wirtschaftlichkeit. Aufgrund der hohen Dissoziationsenergie der CH-Bindungen von Methan ist es jedoch schwierig, Methan bei Raumtemperatur zu aktivieren. Darüber hinaus neigen die Zielprodukte wie Methanol, Essigsäure und andere Oxygenate zur Überoxidation, was zur Bildung von CO2 führt. Daher ist die Entwicklung von Katalysatoren mit hoher Aktivität und Selektivität wichtig.

In einer Studie veröffentlicht In Angewandte Chemie Internationale Ausgabe, einer Gruppe unter der Leitung von Prof. Zhang Tao, Prof. Wang Xiaodong und Assoc. Prof. Huang Chuande vom Dalian Institute of Chemical Physics (DICP) der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (CAS) hat in Zusammenarbeit mit der Gruppe von Prof. Chang Chunran von der Xi’an Jiaotong University die effiziente direkte Umwandlung von Methan durch Einzelatome realisiert Katalyse bei Raumtemperatur.

Die Forscher schlugen eine Strategie vor, die die Modifikation von CO-Molekülen beinhaltet, um die elektronische Struktur des Einzelatomkatalysators M1-ZSM-5 (M = Rh, Ru, Fe) zu regulieren, was die Effizienz der direkten Methanumwandlung steigert. Sie realisierten die Katalyse der Methanumwandlung mit H2O2 als Oxidationsmittel bei Raumtemperatur (25 °C). Die Umsatzfrequenz (TOF) von Pd1-ZSM-5 erreichte 207 h-1 mit einer Selektivität von nahezu 100 % gegenüber Oxygenaten.

Durch die Kombination experimenteller Charakterisierung mit Berechnungen der Dichtefunktionaltheorie (DFT) entdeckten die Forscher, dass das C-Atom im CO-Molekül dazu neigt, mit dem Pd1-Einzelatom zu koordinieren und Elektronen von CO auf das aktive Sauerstoffzentrum L-Pd1-O (L = CO) zu übertragen ), was zu einer Verringerung der Dissoziationsbarriere der CH-Bindungen von Methan von 1,27 eV auf 0,48 eV führt.

Darüber hinaus zeigte diese Strategie eine gute Universalität, da die TOF der Katalysatoren der M1-ZSM-5-Serie (M = Rh, Ru, Fe) durch die Modifikation des CO-Moleküls um das 3,2- bis 11,3-fache erhöht werden konnte.

„Wir haben die elektronisch abstimmbaren, durch Molekularsiebe unterstützten M1-O-isolierten aktiven Zentren entwickelt und damit eine neue Methode zur selektiven Umwandlung von Methan in Chemikalien unter milden Bedingungen bereitgestellt“, sagte Prof. Wang.