Two-Dimensional Submonolayer Pt Clusters with Optimal Pt0–Ptδ+ Sites for Efficient Methylcyclohexane Dehydrogenation

甲基环己烷 催化作用 脱氢 甲苯 密度泛函理论 铂金 材料科学 金属 解吸 化学 物理化学 计算化学 吸附 有机化学
作者
Zheng Jian Li,Mingzhi Wang,Huayue Yang,Yanyan Jia,Shumin Liu,Shuangli Yang,Mingshu Chen,Pei Wang,Sheng Dai,Linan Zhou,Yun Zhao,Guangxu Chen
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:19 (39): 35050-35061 被引量:2
标识
DOI:10.1021/acsnano.5c12158
摘要

Methylcyclohexane dehydrogenation (MCHDH) is vital in hydrogen storage and carriage technologies. However, Pt/Al2O3, as a classic practical catalyst for MCHDH, remains ambiguous regarding the catalytic structure of active Pt sites for C-H activation at the atomic scale due to a shortage of subnanometer characterization. Here, based on comprehensive structural characterizations and density functional theory (DFT) calculations, we demonstrate optimal active Pt sites: two-dimensional (2D) submonolayer clusters (SLCs) interfaced with γ-Al2O3 with an appropriate ratio of Ptδ+ to Pt0 to form optimal Pt0-Ptδ+ interfacial sites that have superior activity for the MCHDH reaction. This SLC's catalyst achieves a reaction rate of up to 29,353 mmol gPt-1 min-1 at 320 °C, with a 99.98% selectivity for toluene over MCHDH, which is significantly better than that of the corresponding Pt single atoms and conventional Pt nanoparticles (NPs) catalysts. The excellent MCHDH performance of Pt 2D SLCs is attributed to their sufficient 5d-electron domination and the optimal Pt0-Ptδ+ sites, which facilitate the sequential activation of multiple C-H bonds and toluene desorption. In comparison, the presence of too many continuous Pt0-Pt0 sites in Pt 2D SLCs can hinder these processes. Our study highlights that constructing atomic-scale 2D submonolayer metal clusters is a promising strategy for optimizing efficient catalysts with abundant M0-Mδ+ (M = metal) sites, enhancing the catalytic performance for selective C-H bond activation.
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