Structure of Mo2Cx and Mo4Cx Molybdenum Carbide Nanoparticles and Their Anchoring Sites on ZSM-5 Zeolites

纳米颗粒 碳化物 材料科学 密度泛函理论 沸石 氧化物 星团(航天器) 结晶学 催化作用 纳米技术 计算化学 化学 复合材料 有机化学 冶金 程序设计语言 计算机科学
作者
Jie Gao,Yiteng Zheng,George Fitzgerald,Jason de Joannis,Yadan Tang,Israel E. Wachs,Simon G. Podkolzin
出处
期刊:Journal of Physical Chemistry C [American Chemical Society]
卷期号:118 (9): 4670-4679 被引量:103
标识
DOI:10.1021/jp4106053
摘要

Mo carbide nanoparticles supported on ZSM-5 zeolites are promising catalysts for methane dehydroaromatization. For this and other applications, it is important to identify the structure and anchoring sites of Mo carbide nanoparticles. In this work, structures of Mo2Cx (x = 1, 2, 3, 4, and 6) and Mo4Cx (x = 2, 4, 6, and 8) nanoparticles are identified using a genetic algorithm with density functional theory (DFT) calculations. The ZSM-5 anchoring sites are determined by evaluating infrared vibrational spectra for surface OH groups before and after Mo deposition. The spectroscopic results demonstrate that initial Mo oxide species preferentially anchors on framework Al sites and partially on Si sites on the external surface of the zeolite. In addition, Mo oxide deposition causes some dealumination, and a small fraction of Mo oxide species anchor on extraframework Al sites. Anchoring modes of Mo carbide nanoparticles are evaluated with DFT cluster calculations and with hybrid quantum mechanical and molecular mechanical (QM/MM) periodic structure calculations. Calculation results suggest that binding through two Mo atoms is energetically preferable for all Mo carbide nanoparticles on double Al-atom framework sites and external Si sites. On single Al-atom framework sites, the preferential binding mode depends on the particle composition. The calculations also suggest that Mo carbide nanoparticles with a C/Mo ratio greater than 1.5 are more stable on external Si sites and, thus, likely to migrate from zeolite pores onto the external surface of the zeolite. Therefore, in order to minimize such migration, the C/Mo ratio for zeolite-supported Mo carbide nanoparticles under hydrocarbon reaction conditions should be maintained below 1.5.
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