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Atomically Dispersed Iron‐Copper Dual‐Metal Sites Synergistically Boost Carbonylation of Methane

甲烷 羰基化 金属 化学 对偶(语法数字) 化学工程 无机化学 铜 环境化学 材料科学 催化作用 有机化学 一氧化碳 文学类 工程类 艺术
作者
Qingpeng Cheng,Xueli Yao,Guanna Li,Guanxing Li,Lirong Zheng,Kaijie Yang,Abdul‐Hamid Emwas,Xingang Li,Yu Han,Jorge Gascón
出处
期刊:Angewandte Chemie [Wiley]
卷期号:136 (43) 被引量:4
标识
DOI:10.1002/ange.202411048
摘要

Abstract The direct liquid‐phase oxidative carbonylation of methane, utilizing abundant natural gas, offers a mild and straightforward alternative. However, most catalysts proposed for this process suffer from low acetic acid yields due to few active sites and rapid C1 oxygenate generation, impeding their industrial feasibility. Herein, we report a highly efficient 0.1Cu/Fe‐HZSM‐5‐TF (TF denotes template‐free synthesis) catalyst featuring exclusively mononuclear Fe and Cu anchored in the ZSM‐5 channels. Under optimized conditions, the catalyst achieved an unprecedented acetic acid yield of 40.5 mmol g cat −1 h −1 at 50 °C, tripling the previous records of 12.0 mmol g cat −1 h −1 . Comprehensive characterization, isotope‐labeled experiments and density functional theory (DFT) calculations reveal that the homogeneous mononuclear Fe sites are responsible for the activation and oxidation of methane, while the neighboring Cu sites play a key role in retarding the oxidation process, promoting C−C coupling for effective acetic acid synthesis. Furthermore, the methyl‐group carbon in acetic acid originates solely from methane, while its carbonyl‐group carbon is derived exclusively from CO, rather than the conversion of other C1 oxygenates. The proposed bimetallic catalyst design not only overcomes the limitations of current catalysts but also generalizes the oxidative carbonylation of other alkanes, demonstrating promising advancements in sustainable chemical synthesis.
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