Single-Atom High-Temperature Catalysis on a Rh 1 O 5 Cluster for Production of Syngas from Methane

化学 催化作用 Atom(片上系统) 碳纤维 金属 结晶学 无机化学 材料科学 有机化学 复合材料 计算机科学 复合数 嵌入式系统
作者
Yu Tang,Victor Fung,Xiaoyan Zhang,Yuting Li,Luan T. Nguyen,Tomohiro Sakata,Kotaro Higashi,De‐en Jiang,Franklin Feng Tao
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:143 (40): 16566-16579 被引量:69
标识
DOI:10.1021/jacs.1c06432
摘要

Single-atom catalysts are a relatively new type of catalyst active for numerous reactions but mainly for chemical transformations performed at low or intermediate temperatures. Here we report that singly dispersed Rh 1 O 5 clusters on TiO 2 can catalyze the partial oxidation of methane (POM) at high temperatures with a selectivity of 97% for producing syngas (CO + H 2 ) and high activity with a long catalytic durability at 650 °C. The long durability results from the substitution of a Ti atom of the TiO 2 surface lattice by Rh 1, which forms a singly dispersed Rh 1 atom coordinating with five oxygen atoms (Rh 1 O 5 ) and an undercoordinated environment but with nearly saturated bonding with oxygen atoms. Computational studies show the back-donation of electrons from the d z 2 orbital of the singly dispersed Rh 1 atom to the unoccupied orbital of adsorbed CH n ( n > 1) results in the charge depletion of the Rh 1 atom and a strong binding of CH n to Rh 1 . This strong binding decreases the barrier for activating C–H, thus leading to high activity of Rh 1 /TiO 2 . A cationic Rh 1 single atom anchored on TiO 2 exhibits a weak binding to atomic carbon, in contrast to the strong binding of the metallic Rh surface to atomic carbon. The weak binding of atomic carbon to Rh 1 atoms and the spatial isolation of Rh 1 on TiO 2 prevent atomic carbon from coupling on Rh 1 /TiO 2 to form carbon layers, making Rh 1 /TiO 2 resistant to carbon deposition than supported metal catalysts for POM. The highly active, selective, and durable high-temperature single-atom catalysis performed at 650 °C demonstrates an avenue of application of single-atom catalysis to chemical transformations at high temperatures.
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