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Mechanistic Insights into Radical-Induced Selective Oxidation of Methane over Nonmetallic Boron Nitride Catalysts

化学 甲烷 催化作用 激进的 甲烷厌氧氧化 光化学 烷烃 氮化硼 碳氢化合物 多相催化 无机化学 有机化学
作者
Peijie Han,Ran Yan,Yuqing Wei,Leisu Li,Jinsong Luo,Yang Pan,Binju Wang,Jingdong Lin,Shaolong Wan,Haifeng Xiong,Yong Wang,Shuai Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (19): 10564-10575
标识
DOI:10.1021/jacs.2c13648
摘要

Boron-based nonmetallic materials (such as B2O3 and BN) emerge as promising catalysts for selective oxidation of light alkanes by O2 to form value-added products, resulting from their unique advantage in suppressing CO2 formation. However, the site requirements and reaction mechanism of these boron-based catalysts are still in vigorous debate, especially for methane (the most stable and abundant alkane). Here, we show that hexagonal BN (h-BN) exhibits high selectivities to formaldehyde and CO in catalyzing aerobic oxidation of methane, similar to Al2O3-supported B2O3 catalysts, while h-BN requires an extra induction period to reach a steady state. According to various structural characterizations, we find that active boron oxide species are gradually formed in situ on the surface of h-BN, which accounts for the observed induction period. Unexpectedly, kinetic studies on the effects of void space, catalyst loading, and methane conversion all indicate that h-BN merely acts as a radical generator to induce gas-phase radical reactions of methane oxidation, in contrast to the predominant surface reactions on B2O3/Al2O3 catalysts. Consequently, a revised kinetic model is developed to accurately describe the gas-phase radical feature of methane oxidation over h-BN. With the aid of in situ synchrotron vacuum ultraviolet photoionization mass spectroscopy, the methyl radical (CH3•) is further verified as the primary reactive species that triggers the gas-phase methane oxidation network. Theoretical calculations elucidate that the moderate H-abstraction ability of predominant CH3• and CH3OO• radicals renders an easier control of the methane oxidation selectivity compared to other oxygen-containing radicals generally proposed for such processes, bringing deeper understanding of the excellent anti-overoxidation ability of boron-based catalysts.
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