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Tuning the Hydrogenation Selectivity of an Unsaturated Aldehyde via Single-Atom Alloy Catalysts

化学 选择性 丙烯醛 催化作用 过渡金属 结合能 过渡状态 吸附 化学吸附 解吸 有机化学 无机化学 光化学 物理化学 物理 核物理学
作者
Hio Tong Ngan,Philippe Sautet
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (4): 2556-2567 被引量:43
标识
DOI:10.1021/jacs.3c10994
摘要

Selective hydrogenation of α,β-unsaturated aldehydes to produce unsaturated alcohols remains a challenge in catalysis. Here, we explore, on the basis of first-principles simulations, single-atom alloy (SAA) catalysts on copper as a class of catalytic materials to enhance the selectivity for C═O bond hydrogenation in unsaturated aldehydes by controlling the binding strength of the C═C and C═O bonds. We show that on SAA of early transition metals such as Ti, Zr, and Hf, the C═O binding mode of acrolein is favored but the strong binding renders subsequent hydrogenation and desorption impossible. On SAA of late-transition metals, on the other hand, the C═C binding mode is favored and C═C bond hydrogenation follows, resulting in the production of undesired saturated aldehydes. Mid-transition metals (Cr and Mn) in Cu(111) appear as the optimal systems, since they favor acrolein adsorption via the C═O bond but with a moderate binding strength, compatible with catalysis. Additionally, acrolein migration from the C═O to the C═C binding mode, which would open the low energy path for C═C bond hydrogenation, is prevented by a large barrier for this process. SAA of Cr in Cu appears as an optimal candidate, and kinetic simulations show that the selectivity for propenol formation is controlled by preventing the acrolein migration from the more stable C═O to the less stable C═C binding mode and subsequent H-migration and by the formation of the O-H bond from the monohydrogenated intermediate. Dilute alloy catalysts therefore enable tuning the binding strength of intermediates and transition states, opening control of catalytic activity and selectivity.
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