Rational design of selective metal catalysts for alcohol amination with ammonia

双金属片 选择性 催化作用 胺化 合理设计 组合化学 还原胺化 化学 金属 有机化学 材料科学 纳米技术
作者
Tao Wang,Javier Ibáñez Abad,Kang Wang,Fang Lin,Maarten K. Sabbe,Carine Michel,Sébastien Paul,Marc Pera‐Titus,Philippe Sautet
出处
期刊:Nature Catalysis [Nature Portfolio]
卷期号:2 (9): 773-779 被引量:92
标识
DOI:10.1038/s41929-019-0327-2
摘要

The lack of selectivity for the direct amination of alcohols with ammonia (a modern and clean route for the synthesis of primary amines) is an unsolved problem. Here, we combine first-principles calculations, scaling relations, kinetic simulations and catalysis experiments to determine the key factors that govern the activity and selectivity of metal catalysts for this reaction. We show that the loss of selectivity towards primary amines is linked to a surface-mediated C–N bond coupling between two N-containing intermediates: CH3NH and CH2NH. The barrier for this step is low enough to compete with the main surface hydrogenation reactions and it can be used as a descriptor for selectivity. The activity and selectivity maps (using the C and O adsorption energies as descriptors) were combined for the computational screening of 348 dilute bimetallic catalysts. Among the best theoretical candidates, Co98.5Ag1.5 and Co98.5Ru1.5 (5 wt% Co) were identified experimentally to be the most promising catalysts. The direct amination of alcohols with ammonia is a modern and clean route for the synthesis of amines. This joint theoretical and experimental study reveals the key factors governing the activity and selectivity to primary amines on metals, which are then used for the rational design of bimetallic catalysts.
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