On the Heterogeneity of Iron‐Oxo Species in Zeolites for the Oxidation of Methane to Methanol by Nitrous Oxide: A Theoretical Perspective

甲烷 甲醇 一氧化二氮 甲烷厌氧氧化 氧化物 化学 无机化学 氧化铁 环境化学 化学工程 有机化学 工程类
作者
Shuo Wang,Chenchen Li,Chong Liu,Wei Zhuang
出处
期刊:Chemcatchem [Wiley]
标识
DOI:10.1002/cctc.202401416
摘要

Abstract The conversion of methane to methanol (MTM) represents a pivotal objective in the C1 chemical industry. Transition metals, such as iron, exchanged zeolites are one category of the most active catalysts for direct conversion of MTM. One important topic in understanding the mechanism of Fe‐zeolite catalyzed MTM is how the heterogeneity of catalytic (Fe) sites influences the system stability and reactivity. Employing DFT calculations and machine learning method, we herein studied the stability–reactivity relationship of a MTM catalytic cycle with N 2 O as the oxidant over Fe‐exchanged zeolites. The Fe heterogeneity was introduced by using CHA and FER zeolites and looking at a number of related Fe species (Fe II , FeO, and FeOH). A strong correlation was observed between the stability of such Fe species, which is primarily determined by the formation energy of Fe II , and such a stability trend remains consistent throughout the MTM catalytic cycle. The reactivity analysis then demonstrated that less stable Fe species may exhibit higher reactivities when situated in specific sites. Further machine learning analysis validated the significant relevance of activation barriers with reaction energies in the N 2 O decomposition step that is not sufficiently captured by the traditional one‐dimensional Brønsted–Evans–Polanyi (BEP) relationship.
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