Full Spectroscopic Characterization of the Molecular Oxygen-Based Methane to Methanol Conversion over Open Fe(II) Sites in a Metal–Organic Framework

化学 催化作用 甲醇 价(化学) 结晶度 甲烷 密度泛函理论 金属有机骨架 氧气 无机化学 化学工程 物理化学 结晶学 计算化学 有机化学 吸附 工程类
作者
Alessandro Tofoni,Francesco Tavani,Marco Vandone,Luca Braglia,Elisa Borfecchia,Paolo Ghigna,Dragos Costantin Stoian,Toni Grell,Sara Stolfi,Valentina Colombo,P. D’Angelo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (38): 21040-21052 被引量:20
标识
DOI:10.1021/jacs.3c07216
摘要

Iron-based enzymes efficiently activate molecular oxygen to perform the oxidation of methane to methanol (MTM), a reaction central to the contemporary chemical industry. Conversely, a very limited number of artificial catalysts have been devised to mimic this process. Herein, we employ the MIL-100(Fe) metal-organic framework (MOF), a material that exhibits isolated Fe sites, to accomplish the MTM conversion using O2 as the oxidant under mild conditions. We apply a diverse set of advanced operando X-ray techniques to unveil how MIL-100(Fe) can act as a catalyst for direct MTM conversion. Single-phase crystallinity and stability of the MOF under reaction conditions (200 or 100 °C, CH4 + O2) are confirmed by X-ray diffraction measurements. X-ray absorption, emission, and resonant inelastic scattering measurements show that thermal treatment above 200 °C generates Fe(II) sites that interact with O2 and CH4 to produce methanol. Experimental evidence-driven density functional theory (DFT) calculations illustrate that the MTM reaction involves the oxidation of the Fe(II) sites to Fe(III) via a high-spin Fe(IV)═O intermediate. Catalyst deactivation is proposed to be caused by the escape of CH3• radicals from the relatively large MOF pore cages, ultimately resulting in the formation of hydroxylated triiron units, as proven by valence-to-core X-ray emission spectroscopy. The O2-based MTM catalytic activity of MIL-100(Fe) in the investigated conditions is demonstrated for two consecutive reaction cycles, proving the MOF potential toward active site regeneration. These findings will desirably lay the groundwork for the design of improved MOF catalysts for the MTM conversion.
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