Highly efficient conversion of methane to formic acid under mild conditions at ZSM-5-confined Fe-sites

甲酸 甲烷 催化作用 材料科学 选择性 ZSM-5型 氧合物 光化学 密度泛函理论 沸石 化学工程 无机化学 化学 有机化学 计算化学 工程类
作者
K. S. Zhu,Suxia Liang,Xiaoju Cui,Rui Huang,Ningbo Wan,Lei Hua,Haiyang Li,Jie Chen,Zhenchao Zhao,Guangjin Hou,Mingrun Li,Qike Jiang,Liang Yu,Dehui Deng
出处
期刊:Nano Energy [Elsevier]
卷期号:82: 105718-105718 被引量:63
标识
DOI:10.1016/j.nanoen.2020.105718
摘要

Production of value-added chemicals from oriented methane conversion under mild conditions is of great significance for utilization of the energy resources, which, however, remains a great challenge due to its difficulty in the selective activation of C–H bond. Herein, we report a highly selective and efficient methane conversion to formic acid on atomically dispersed Fe sites confined in the nano-channels of ZSM-5. The turnover frequency for producing C1 liquid oxygenates reaches 84,200 h−1 with a high selectivity of 91% to formic acid at 80 °C, which outperforms all previously reported catalysts. Electron paramagnetic resonance analysis and density functional theory calculations demonstrate that the ZSM-5-confined Fe-O active centers can facilely dissociate the C–H bonds and catalyze successive oxidation of methane to formic acid via free radical mechanisms under mild conditions. This study opens a new path of engineering the microenvironment of confined Fe sites within nano-channels toward highly selective methane conversion with low energy input.
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