Density Functional Theory (DFT) Study To Unravel the Catalytic Properties of M-Exchanged MFI, (M = Be, Co, Cu, Mg, Mn, Zn) for the Conversion of Methane and Carbon Dioxide to Acetic Acid

化学 密度泛函理论 催化作用 离解(化学) 醋酸 电负性 无机化学 甲烷 吸附 洋葱 反应机理 活化能 物理化学 质子化 计算化学 有机化学 离子
作者
Brian D. Montejo-Valencia,Yomaira J. Pagán‐Torres,María M. Martínez-Iñesta,María C. Curet-Arana
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:7 (10): 6719-6728 被引量:88
标识
DOI:10.1021/acscatal.7b00844
摘要

The conversion of greenhouse gases, such as CO<sub>2</sub> and CH<sub>4</sub>, to value chemicals is a major challenge, because of the high stability of both molecules. In this study, density functional theory (DFT) calculations with long-range corrections and ONIOM were used to analyze the reaction mechanism for the conversion of CO<sub>2</sub> and CH<sub>4</sub> to acetic acid with MFI zeolite exchanged with Be, Co, Cu, Mg, Mn, and Zn cations. Our results demonstrate that (a) the highest reaction barrier on the reaction mechanism is CH<sub>4</sub> dissociation, and the transition state energy in that step is directly related to the energy of the lowest unoccupied molecular orbital and the electronegativity of the metal exchanged zeolites; (b) a charge transfer between CH<sub>4</sub> and the metal cation occurs simultaneously to CH<sub>4</sub> dissociation; (c) CO<sub>2</sub> insertion has a low energy barrier, and the protonation of the acetate species is spontaneous; (d) dispersion interactions are the main contributions to CH<sub>4</sub> adsorption energies, whereas, in the rest of the steps of the reaction mechanism, the contribution of dispersion to the energies of reaction is almost negligible; (e) desorption of acetic acid could be promoted by the coadsorption of water; and (f) CH<sub>4</sub> dissociation on Cu-MFI has an apparent activation energy of 11.5 kcal/mol, and a forward rate constant of 1.1 s–1 at 398 K.
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