Catalytic cycle of the partial oxidation of methane to methanol over Cu-ZSM-5 revealed using DFT calculations

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出版日 2021-02-05
DOI 10.1039/D0CP06696F
インパクトファクター 3.676
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要旨

Density functional theory (DFT) calculations were performed to investigate the catalytic cycle of methane conversion to methanol over both [Cu2(O2)]2+ and [Cu2(μ-O)]2+ active sites in the Cu-ZSM-5 catalyst. The [Cu2(O2)]2+ site is found to be active for the partial oxidation of methane to methanol, and although it has a higher energy barrier in the methane activation step, it involves a very low energy barrier in the methanol formation step (36.3 kJ mol−1) as well as a lower methanol desorption energy (52.5 kJ mol−1). As the [Cu2(O2)]2+ active site is also thermodynamically stable, it may play an important role during methane conversion to methanol. Furthermore, the methane activation step follows the homolytic route and the heterolytic route for the [Cu2(O2)]2+ and [Cu2(μ-O)]2+ active sites, respectively, whereas the methanol formation step follows the direct radical rebound mechanism and the indirect rebound mechanism, respectively. Our calculations further indicate that the electronic properties of the reactive O atoms in the active site influence their reactivity toward methane oxidation. More specifically, the higher the spin density and the more negative the charge of the reactive O atom at the active site are, the lower the energy barrier for methane activation will be; and the more negative the charge of the hydroxyl group in the reaction intermediate during the partial oxidation of methane to methanol is, the higher energy barrier of the methanol formation step will be in the triplet state. Furthermore, we used a larger cluster model to predict the mechanism of the methane activation step and the effect of atomic charge of the O atom at the [Cu2(μ-O)]2+ and [Cu2(O2)]2+ active sites on the energy barriers of partial oxidation of methane to methanol, and the conclusions drawn employing the larger cluster model are consistent with those drawn using the smaller double-5T-ring cluster model. In addition, different from the traditional mechanism for methane activation at [Cu2(O2)]2+, which consists of two transition states, we find that the partial oxidation of methane at [Cu2(O2)]2+ can also occur via a single step by direct insertion of one of the O atoms at the active site into the C–H bond of methane.

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掲載誌

Physical Chemistry Chemical Physics

Physical Chemistry Chemical Physics
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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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