Borocarbonitride Catalyzed Ethylbenzene Oxidative Dehydrogenation: Activity Enhancement via Encapsulation of Mn Clusters inside the Tube

脱氢 催化作用 乙苯 纳米反应器 密度泛函理论 苯乙烯 选择性 光化学 化学 氧化还原 电子转移 烯烃纤维 纳米颗粒 多金属氧酸盐 材料科学 无机化学 纳米技术 有机化学 计算化学 共聚物 聚合物
作者
Xuefei Zhang,Xueya Dai,Zailai Xie,Wei Qi
出处
期刊:Small [Wiley]
标识
DOI:10.1002/smll.202401532
摘要

Abstract Borocarbonitride (BCN) catalysts, boasting multiple redox sites, have shown considerable potential in alkane oxidative dehydrogenation (ODH) to olefin molecules. However, their catalytic efficiency still lags behind that of leading commercial catalysts, primarily due to the limited reactivity of oxygen functional groups. In this study, a groundbreaking hybrid catalyst is developed, featuring BCN nanotubes (BCNNTs) encapsulated with manganese (Mn) clusters, crafted through a meticulous supramolecular self‐assembly and postcalcination strategy. This novel catalyst demonstrates a remarkable enhancement in activity, achieving 30% conversion and ≈100% selectivity toward styrene in ethylbenzene ODH reactions. Notably, its performance surpasses both pure BCNNTs and those hosting Mn nanoparticles. Structural and kinetic analyses unveil a robust interaction between BCNNTs and the Mn component, substantially boosting the catalytic activity of BCNNTs. Furthermore, density functional theory (DFT) calculations elucidate that BCNNTs encapsulated with Mn clusters not only stabilize key intermediates (─B─O─O─B─) but also enhance the nucleophilicity of active sites through electron transfer from the Mn cluster to the BCNNTs. This electron transfer mechanism effectively lowers the energy barrier for ─C─H cleavage, resulting in a 13% improvement in catalytic activity compared to pure BCNNTs.
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