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Low-Temperature Non-Oxidative Coupling of Methane on Atomically Dispersed Titanium–Aluminum–Boron Nanopowder

化学 脱氢 催化作用 甲烷氧化偶联 甲烷 光化学 多相催化 烷烃 无机化学 双金属片 吸附 铂金 反应中间体 化学工程 乙烯 碳氢化合物 光离子化 微型反应器 异构化 氢化物 贵金属 煅烧 反应机理 选择性
作者
Souvick Biswas,Avital Isakov,Nureshan Dias,Matthew T. Finn,Jack Cokas,Albert Epshteyn,Anastassia N. Alexandrova,Musahid Ahmed,Ralf I. Kaiser
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:148 (9): 10205-10215
标识
DOI:10.1021/jacs.6c01503
摘要

Nonoxidative coupling of methane represents a long-standing challenge in heterogeneous catalysis, as it requires activation of the carbon–hydrogen (C–H) bond, controlled carbon–carbon (C–C) bond formation, and effective hydrogen management without relying on oxidants. Here, we report a low-temperature C–H activation and nonoxidative C–C coupling of methane over atomically dispersed titanium–aluminum–boron nanopowder (Ti–Al–B NP) utilizing a catalytic microreactor coupled to synchrotron single-photon photoionization reflectron time-of-flight mass spectrometry. The soft-ionization, in situ probing method detects the nascent reaction products and radical intermediates under operando conditions, including methyl radical, C2 hydrocarbons, and molecular hydrogen. Methane activation is initiated at 800 K, approximately 700 K below the gas-phase decomposition threshold, leading predominantly to ethylene formation with selectivity reaching up to 78% among the C–C coupled products. Electronic structure calculations on model Ti–Al–B clusters elucidate a cooperative catalytic mechanism in which titanium enables methane adsorption and C–H activation, boron acts as a reversible hydrogen reservoir, and aluminum stabilizes methylene intermediates, thereby facilitating selective C–C coupling and dehydrogenation. These findings establish a distinct catalyst architecture for nonoxidative methane coupling based on earth abundant elements alternative to expensive platinum and other noble metal-containing conventional catalysts and provide molecular-level design principles for controlling dehydrogenation and subsequent C–C bond formation in challenging light alkane conversions.
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