Discovering Ni/Cu Single-Atom Alloy as a Highly Active and Selective Catalyst for Direct Methane Conversion to Ethylene: A First-Principles Kinetic Study

催化作用 甲烷 乙烯 动能 合金 Atom(片上系统) 材料科学 化学 化学工程 光化学 有机化学 计算机科学 物理 量子力学 工程类 嵌入式系统
作者
Manish Kothakonda,Sébastien Lacroix,Chengyu Zhou,Ji Yang,Ji Su,Qing Zhao
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:15 (13): 11608-11616 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c02570
摘要

Direct methane conversion to liquid fuels or value-added chemicals is a promising technology to utilize natural resources without resorting to further petroleum extraction. However, discovering efficient catalysts for this reaction is challenging due to either coke formation or unfavorable C-H bond activation. Herein, we design single-atom alloy (SAA) catalysts to simultaneously eliminate the above two bottlenecks based on mechanism-guided strategies: (1) the active single atom enables favorable C-H bond breaking and (2) the less reactive host metal facilitates C-C coupling and thus avoids strong binding of carbonaceous species. Employing electronic structure theory calculations, we screened the stability of multiple SAAs with 3d-5d transition metals atomically dispersed on a copper surface in terms of avoiding dopant aggregation and segregation. We then evaluated reactivities of the stable SAAs as catalysts for direct methane conversion to C2 products, including methane dehydrogenation and C-C coupling mechanisms. Combining selectivity analysis with kinetic modeling, we predicted that nickel dispersed on copper, i.e., Ni/Cu SAA, is a highly active and selective catalyst that can efficiently transform methane to ethylene. This work designs efficient SAA catalysts for direct methane activation and provides chemical insights into engineering compositions of SAAs to tune their catalytic performances.
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