Contrasting Metallic (Rh0) and Carbidic (2D-Mo2C MXene) Surfaces in Olefin Hydrogenation Provides Insights on the Origin of the Pairwise Hydrogen Addition

催化作用 烯烃纤维 金属 化学 材料科学 有机化学
作者
Ling Meng,Ekaterina V. Pokochueva,Zixuan Chen,Alexey Fedorov,Francesc Viñes,Francesc Illas,Igor V. Koptyug
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (16): 12500-12511 被引量:7
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c02534
摘要

Kinetic studies are vital for gathering mechanistic insights into heterogeneously catalyzed hydrogenation of unsaturated organic compounds (olefins), where the Horiuti-Polanyi mechanism is ubiquitous on metal catalysts. While this mechanism envisions nonpairwise H2 addition due to the rapid scrambling of surface hydride (H*) species, a pairwise H2 addition is experimentally encountered, rationalized here based on density functional theory (DFT) simulations for the ethene (C2H4) hydrogenation catalyzed by two-dimensional (2D) MXene Mo2C(0001) surface and compared to Rh(111) surface. Results show that ethyl (C2H5*) hydrogenation is the rate-determining step (RDS) on Mo2C(0001), yet C2H5* formation is the RDS on Rh(111), which features a higher reaction rate and contribution from pairwise H2 addition compared to 2D-Mo2C(0001). This qualitatively agrees with the experimental results for propene hydrogenation with parahydrogen over 2D-Mo2C1-x MXene and Rh/TiO2. However, DFT results imply that pairwise selectivity should be negligible owing to the facile H* diffusion on both surfaces, not affected by H* nor C2H4* coverages. DFT results also rule out the Eley-Rideal mechanism appreciably contributing to pairwise addition. The measurable contribution of the pairwise hydrogenation pathway operating concurrently with the dominant nonpairwise one is proposed to be due to the dynamic site blocking at higher adsorbate coverages or another mechanism that would drastically limit the diffusion of H* adatoms.
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