Screening of C3N‑Supported MonometallicAtom Catalysts for Selective CO Hydrogenation of Crotonaldehyde

巴豆醛 催化作用 化学 选择性 过渡金属 密度泛函理论 Atom(片上系统) 光化学 离解(化学) 产量(工程) 金属 烯烃纤维 组合化学 材料科学 结构异构体 碳原子 碳纤维 位阻效应 双金属片 单层 无机化学
作者
Huaquan Huang (11597257),Haoran Guo (433038),Yong Pei (1356801)
标识
DOI:10.1021/acscatal.5c03636.s001
摘要

The hydrogenation of crotonaldehyde (CRAL) to crotyl alcohol (CROL) represents a crucial industrial process with broad applications in chemical synthesis. However, developing high-performance catalysts that simultaneously achieve both high CROL yield and selectivity remains a significant challenge. In this study, we employed density functional theory (DFT) calculations to investigate monometallic atom catalysts based on a transition metal (TM) anchoring model within dual carbon vacancies (VCC) in two-dimensional monolayer C3N materials for selective CRAL hydrogenation. Our results demonstrate that the synergistic interaction between TM atoms and coordinating carbon atoms facilitates H2 dissociation and H atom diffusion. Furthermore, the CO group’s binding strength with the metal center can be precisely modulated by selecting appropriate metal species at the active site, enabling selective hydrogenation toward CROL. Through systematic screening of 25 TM-C3N configurations, we identified midtransition metal Mn as the optimal catalyst. The Mn–C3N system exhibits an exceptionally low CO hydrogenation energy barrier (0.82 eV) and a high turnover frequency (TOF) of 0.020 mol s–1. The high-spin characteristics of Mn coupled with its lower d-band center position were found to be critical factors governing the remarkable selectivity. These theoretical insights provide a foundation for designing efficient catalysts for selective CRAL hydrogenation.
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