Retrofitting Zr-Oxo Nodes of UiO-66 by Ru Single Atoms to Boost Methane Hydroxylation with Nearly Total Selectivity

化学 改装 催化作用 选择性 甲烷 羟基化 氢化物 无机化学 有机化学 氢 结构工程 工程类 酶
作者
Geqian Fang,Fenfei Wei,Jian Lin,Yanliang Zhou,Li Sun,Xin Shang,Sen Lin,Xiaodong Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (24): 13169-13180 被引量:107
标识
DOI:10.1021/jacs.3c02121
摘要

Direct selective oxidation of methane (DSOM) to high value-added oxygenates under mild conditions is attracting considerable interest. Although state-of-the-art supported metal catalysts can improve methane conversion, it is still challenging to avoid the deep oxidation of oxygenates. Here, we develop a highly efficient metal–organic frameworks (MOFs)-supported single-atom Ru catalyst (Ru 1 /UiO-66) for the DSOM reaction using H 2 O 2 as an oxidant. It endows nearly 100% selectivity and an excellent turnover frequency of 185.4 h –1 for the production of oxygenates. The yield of oxygenates is an order of magnitude higher than that on UiO-66 alone and several times higher than that on supported Ru nanoparticles or other conventional Ru 1 catalysts, which show severe CO 2 formation. Detailed characterizations and density functional theory calculations reveal a synergistic effect between the electron-deficient Ru 1 site and the electron-rich Zr-oxo nodes of UiO-66 on Ru 1 /UiO-66. The Ru 1 site is responsible for the activation of CH 4 via the resulting Ru 1 ═O* species, while the Zr-oxo nodes undertake the formation of oxygenic radical species to produce oxygenates. In particular, the Zr-oxo nodes retrofitted by Ru 1 can prune the excess H 2 O 2 to inactive O 2 more than • OH species, helping to suppress the over-oxidation of oxygenates.
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