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Stability and reactivity of copper oxo-clusters in ZSM-5 zeolite for selective methane oxidation to methanol

化学 催化作用 沸石 甲醇 反应性(心理学) 甲烷 煅烧 无机化学 键裂 多相催化 均分解 化学计量学 吸附 物理化学 有机化学 激进的 替代医学 病理 医学
作者
Guanna Li,Peter Vassilev,Maricruz Sanchez‐Sanchez,Johannes A. Lercher,Emiel J. M. Hensen,Evgeny A. Pidko
出处
期刊:Journal of Catalysis [Elsevier BV]
卷期号:338: 305-312 被引量:238
标识
DOI:10.1016/j.jcat.2016.03.014
摘要

A periodic density functional theory study complemented by ab initio thermodynamic analysis was carried out to identify the active sites and mechanism of selective oxidation of methane to methanol in Cu/ZSM-5 catalysts. We systematically analyzed structure and stability of a wide range of potential extra-framework Cu complexes in ZSM-5 to address Cu speciation in realistic zeolite materials. We demonstrate that depending on the conditions of catalyst activation, binuclear [Cu(μ-O)Cu]2+ species and trinuclear oxygenated [Cu3(μ-O)3]2+ clusters can preferentially be stabilized in ZSM-5. The trinuclear Cu sites are the most stable extra-framework Cu species in Cu/ZSM-5 activated by calcination, whereas the formation of the binuclear complexes is favored under O2-poor atmosphere. Although both types of Cu complexes contain extra-framework O−, radical species necessary for the homolytic C–H bond cleavage, the reaction paths for methane conversion that they provide are drastically different. Binuclear Cu sites react with CH4 stoichiometrically to yield methoxy groups strongly bound in the zeolite micropores. In contrast, the trinuclear [Cu3(μ-O)3]2+ cluster favors the direct conversion of CH4 to CH3OH coordinated with the partially reduced Cu complex. These computational findings point to the trinuclear Cu-oxo clusters in ZSM-5 as the potential candidates for promotion of the low temperature direct conversion of CH4 to CH3OH.

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