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Jahn–Teller Distortion in the Amino-Functionalized Metal–organic Framework Promotes CH4 Partial Oxidation with Enhanced in situ H2O2 Utilization Efficiency

化学 原位 金属有机骨架 失真(音乐) 雅恩-泰勒效应 部分氧化 金属 无机化学 化学工程 物理化学 催化作用 有机化学 光电子学 离子 吸附 工程类 物理 放大器 CMOS芯片
作者
Yueyuan Xu,Ning Cao,Yao Shi,Yan Mi,Pengfei Xie
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:147 (35): 31952-31964 被引量:1
标识
DOI:10.1021/jacs.5c09665
摘要

The partial CH4 oxidation by in situ generation of H2O2 from O2 and H2 offers a promising strategy to synthesize CH3OH from affordable and sustainable substances. However, it remains a grand challenge to efficiently utilize H2O2 for the exclusive production of methanol. Herein, we report a tandem catalyst by encapsulating Pd nanoparticles in an amino-functionalized Fe-based metal-organic framework, delivering a CH3OH productivity of 14.8 mmol·gcat-1·h-1 with a selectivity of 98.6%. The spectroscopy characterizations suggest that the modification of the ligand by amino groups not only increases the electron density of the triiron motif through ligand-to-metal charge transfer but also induces the Jahn-Teller distortion of Fe2+ coordination, giving rise to the unpaired electrons at a high occupancy state, evidenced by theoretical calculations as well. Mechanism studies reveal that this unique electron configuration of Fe2+ facilitates H2O2 decomposition, resulting in an asymmetrical Fe-O octahedron with further enhanced Jahn-Teller distortion and more unpaired electrons in the σ* antibonding orbitals. This structural evolution promotes CH4 activation with a reduced barrier of 0.35 eV for the amino-functionalized catalyst, compared to 0.47 eV for the nonfunctionalized counterpart, enabling selective formation of CH3OH.
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