Structure and Reactivity of the Mo/ZSM-5 Dehydroaromatization Catalyst: An Operando Computational Study

催化作用 碳氢化合物 甲烷 化学 ZSM-5型 反应性(心理学) 反应机理 沸石 乙烯 从头算 计算化学 碳化物 密度泛函理论 有机化学 医学 替代医学 病理
作者
Guanna Li,Ina Vollmer,Chong Liu,Jorge Gascón,Evgeny A. Pidko
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:9 (9): 8731-8737 被引量:60
标识
DOI:10.1021/acscatal.9b02213
摘要

Mo/ZSM-5 is one of the most studied and efficient catalysts for the dehydroaromatization of methane (MDA), but the mechanism of its operation remains controversial. Here, we combine an ab initio thermodynamic analysis with a comprehensive mechanistic density functional theory study to address Mo-speciation in the zeolite and identify the active sites under the reaction conditions. We show that the exposure of Mo/ZSM-5 to the MDA conditions yields a range of reduced sites including mono- and binuclear Mo-oxo and Mo-carbide complexes. These sites can catalyze the MDA reaction via two alternative reaction channels, namely, the C–C coupling (ethylene) and the hydrocarbon-pool propagation mechanisms. Our calculations point toward the binuclear Mo-carbide species operating through the hydrocarbon-pool mechanism to be the most catalytically potent species. Although all other Mo sites in the activated catalyst can promote C–H activation in methane, they fail to provide a successful path to the desirable low-molecular-weight products.

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