Metal–Organic Frameworks Encaged Ru Single Atoms for Rapid Acetylene Harvest and Activation in Hydrochlorination

乙炔 催化作用 吸附 材料科学 金属有机骨架 氯乙烯 选择性 光化学 无机化学 物理化学 化学 有机化学 聚合物 共聚物 复合材料
作者
Yurui Fan,Zhisong Liu,Songyuan Sun,Wenjun Huang,Lei Ma,Zan Qu,Naiqiang Yan,Haomiao Xu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:15 (20): 24701-24712 被引量:12
标识
DOI:10.1021/acsami.3c01983
摘要

Ruthenium (Ru)-based catalysts have been candidates in hydrochlorination for vinyl chloride monomer (VCM) production, yet they are limited by efficient acetylene (C2H2) utilization. The strong adsorption performance of HCl can deactivate Ru active sites which resulted in weak C2H2 adsorption and slow activation kinetics. Herein, we designed a channel that employed metal-organic framework (MOF)-encaged Ru single atoms to achieve rapid adsorption and activation of C2H2. Low-Ru (∼0.5 wt %) single-atom catalysts (named Ru-NC@MIL) were assembled by hydrogen-bonding nanotraps (the H-C≡C-Hδ+···Oδ- interactions between C2H2 and carboxylate groups/furan rings). Results confirmed that C2H2 could easily enter the encapsulation channels in an optimal mode perpendicular to the channel with a potential energy of 42.3 kJ/mol. The harvested C2H2 molecules can be quickly passed to Ru-N4 active sites for activation by stretching the length of carbon-carbon triple bonds (C≡C) to 1.212 Å. Such a strategy guaranteed >99% C2H2 conversion efficiency and >99% VCM selectivity. Moreover, a stable long-term (>150 h) catalysis with high efficiency (∼0.85 kgvcm/h/kgcat.) and a low deactivation constant (0.001 h-1) was also achieved. This work provides an innovative strategy for precise C2H2 adsorption and activation and guidance for designing multi-functional Ru-based catalysts.
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