Mechanistic Insight into the Formation of Acetic Acid from the Direct Conversion of Methane and Carbon Dioxide on Zinc-Modified H–ZSM-5 Zeolite

化学 醋酸 沸石 甲烷 二氧化碳 双功能 无机化学 催化作用 二氧化碳电化学还原 有机化学 一氧化碳
作者
Jianfeng Wu,Simin Yu,Wei David Wang,Yan-Xin Fan,Shi Bai,Chuanwei Zhang,Qiang Gao,Jun Huang,Wei Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:135 (36): 13567-13573 被引量:160
标识
DOI:10.1021/ja406978q
摘要

Methane and carbon dioxide are known greenhouse gases, and the conversion of these two C1-building blocks into useful fuels and chemicals is a subject of great importance. By solid-state NMR spectroscopy, we found that methane and carbon dioxide can be co-converted on a zinc-modified H–ZSM-5 zeolite (denoted as Zn/H–ZSM-5) to form acetic acid at a low temperature range of 523–773 K. Solid-state 13C and 1H MAS NMR investigation indicates that the unique nature of the bifunctional Zn/H–ZSM-5 catalyst is responsible for this highly selective transformation. The zinc sites efficiently activate CH4 to form zinc methyl species (−Zn–CH3), the Zn–C bond of which is further subject to the CO2 insertion to produce surface acetate species (−Zn–OOCCH3). Moreover, the Brønsted acid sites play an important role for the final formation of acetic acid by the proton transfer to the surface acetate species. The results disclosed herein may offer the new possibility for the efficient activation and selective transformation of methane at low temperatures through the co-conversion strategy. Also, the mechanistic understanding of this process will help to the rational design of robust catalytic systems for the practical conversion of greenhouse gases into useful chemicals.
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