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Direct methane activation by atomically thin platinum nanolayers on two-dimensional metal carbides

催化作用 甲烷 脱氢 材料科学 铂金 碳化物 化学工程 薄膜 甲烷氧化偶联 焦炭 化学气相沉积 无机化学 纳米技术 化学 冶金 有机化学 工程类
作者
Zhe Li,Yang Xiao,Prabudhya Roy Chowdhury,Zhenwei Wu,Tao Ma,Johnny Zhu Chen,Gang Wan,Tae Hoon Kim,Dapeng Jing,Peilei He,Pratik J. Potdar,Lin Zhou,Zhenhua Zeng,Xiulin Ruan,Jeffrey T. Miller,Jeffrey Greeley,Yue Wu,Arvind Varma
出处
期刊:Nature Catalysis [Springer Nature]
卷期号:4 (10): 882-891 被引量:65
标识
DOI:10.1038/s41929-021-00686-y
摘要

Efficient and direct conversion of methane to value-added products has been a long-term challenge in shale gas applications. Here, we show that atomically thin nanolayers of Pt with a single or double atomic layer thickness, supported on a two-dimensional molybdenum titanium carbide (MXene), catalyse non-oxidative coupling of methane to ethane/ethylene (C2). Kinetic and theoretical studies, combined with in-situ spectroscopic and microscopic characterizations, demonstrate that Pt nanolayers anchored at the hexagonal close-packed sites of the MXene support can activate the first C–H bond of methane to form methyl radicals that favour desorption over further dehydrogenation and thus suppress coke deposition. At 750 °C and 7% methane conversion, the catalyst runs for 72 hours of continuous operation without deactivation and exhibits >98% selectivity towards C2 products, with a turnover frequency of 0.2–0.6 s−1. Our findings provide insights into the design of highly active and stable catalysts for methane activation and create a platform for developing atomically thin supported metal catalysts. The challenge in non-oxidative coupling of methane lies in the activation of the first C–H bond while avoiding further dehydrogenations, which lead to the formation of coke. Here, atomically thin platinum nanolayers on two-dimensional molybdenum titanium carbides are reported as a superior catalyst for this reaction owing to reduced coke formation.
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