Formaldehyde and methanol formation from reaction of carbon monoxide and hydrogen on neutral Fe2S2 clusters in the gas phase

文献情報

出版日 2013-02-11
DOI 10.1039/C3CP50183C
インパクトファクター 3.676
著者

Shi Yin, Zhechen Wang, Elliot R. Bernstein


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要旨

Reaction of CO with H2 on neutral FemSn clusters in a fast flow reactor is investigated both experimentally and theoretically. Single photon ionization at 118 nm is used to detect neutral cluster distributions through time of flight mass spectrometry. FemSn clusters are generated through laser ablation of a mixed iron–sulfur target in the presence of a pure helium carrier gas. A strong size dependent reactivity of (FeS)m clusters toward CO is characterized. The reaction FeS + CO → Fe + OCS is found for the FeS cluster, and the association product Fe2S2CO is observed for the Fe2S2 cluster. Products Fe2S213COH2 and Fe2S213COH4 are identified for reactions of 13CO and H2 on Fe2S2 clusters: this suggests that the Fe2S2 cluster has a high catalytic activity for hydrogenation reactions of CO to form formaldehyde and methanol. Density functional theory (DFT) calculations are performed to explore the potential energy surfaces for the two reactions: Fe2S2 + CO + 2H2 → Fe2S2 + CH3OH; and Fe2S2 + CO + H2 → Fe2S2 + CH2O. A barrierless, thermodynamically favorable pathway is obtained for both catalytic processes. Catalytic cycles for formaldehyde and methanol formation from CO and H2 on a Fe2S2 cluster are proposed based on our experimental and theoretical investigations. The various reaction mechanisms explored by DFT are in good agreement with the experimental results. Condensed phase iron sulfide, which contains exposed Fe2S2 units on its surface, is suggested to be a good catalyst for low temperature formaldehyde/methanol synthesis.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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年間論文数: 3036

Physical Chemistry Chemical Physics (PCCP) is an international journal co-owned by 19 physical chemistry and physics societies from around the world. This journal publishes original, cutting-edge research in physical chemistry, chemical physics and biophysical chemistry. To be suitable for publication in PCCP, articles must include significant innovation and/or insight into physical chemistry; this is the most important criterion that reviewers and Editors will judge against when evaluating submissions. The journal has a broad scope and welcomes contributions spanning experiment, theory, computation and data science. Topical coverage includes spectroscopy, dynamics, kinetics, statistical mechanics, thermodynamics, electrochemistry, catalysis, surface science, quantum mechanics, quantum computing and machine learning. Interdisciplinary research areas such as polymers and soft matter, materials, nanoscience, energy, surfaces/interfaces, and biophysical chemistry are welcomed if they demonstrate significant innovation and/or insight into physical chemistry. Joined experimental/theoretical studies are particularly appreciated when complementary and based on up-to-date approaches.

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