Main-Group Catalysts with Atomically Dispersed In Sites for Highly Efficient Oxidative Dehydrogenation

脱氢 化学 催化作用 选择性 氧化物 烯烃 产量(工程) 过渡金属 光化学 金属 纳米颗粒 组合化学 无机化学 纳米技术 有机化学 材料科学 冶金
作者
Chaojie Wang,Yujia Han,Ming Tian,Lin Li,Jian Lin,Xiaodong Wang,Tao Zhang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (37): 16855-16865 被引量:48
标识
DOI:10.1021/jacs.2c04926
摘要

Transition metal oxides are well-known catalysts for oxidative dehydrogenation thanks to their excellent ability to activate alkanes. However, they suffer from an inferior alkene yield due to the trade-off between the conversion and selectivity induced by more reactive alkenes than alkanes, which obscures the optimization of catalysts. Herein, we attempt to overcome this challenge by activating a selective main-group indium oxide considered to be inactive for oxidative dehydrogenation in conventional wisdom. Atomically dispersed In sites with the local structure of [InOH]2+ anchored by substituting the protons of supercages in HY are enclosed to be active centers that enable the activation of ethane with a metal-normalized turnover number of almost one magnitude higher than those of their supported In2O3 counterparts. Furthermore, the structure of isolated [InOH]2+ sites could be stabilized by in situ formed H2O from the selective oxidation of hydrogen by In2O3 nanoparticles. As a result, the as-designed main-group In catalysts exhibit 80% ethene selectivity at 80% ethane conversion, thus achieving 60% ethene yield due to active isolated [InOH]2+ sites and selective In2O3 nanoparticles, outperforming state-of-the-art transition metal oxide catalysts. This study unlocks new opportunities for the utilization of main-group elements and could pave the way toward a more rational design of catalysts for highly efficient selective oxidation catalysis.
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