Single Atom Catalysts for Selective Methane Oxidation to Oxygenates

氧合物 催化作用 甲烷 化学 光化学 部分氧化 化学工程 有机化学 工程类
作者
Pawan Kumar,Tareq A. Al‐Attas,Jinguang Hu,Md Golam Kibria
出处
期刊:ACS Nano [American Chemical Society]
卷期号:16 (6): 8557-8618 被引量:67
标识
DOI:10.1021/acsnano.2c02464
摘要

Direct conversion of methane (CH4) to C1–2 liquid oxygenates is a captivating approach to lock carbons in transportable value-added chemicals, while reducing global warming. Existing approaches utilizing the transformation of CH4 to liquid fuel via tandemized steam methane reforming and the Fischer–Tropsch synthesis are energy and capital intensive. Chemocatalytic partial oxidation of methane remains challenging due to the negligible electron affinity, poor C–H bond polarizability, and high activation energy barrier. Transition-metal and stoichiometric catalysts utilizing harsh oxidants and reaction conditions perform poorly with randomized product distribution. Paradoxically, the catalysts which are active enough to break C–H also promote overoxidation, resulting in CO2 generation and reduced carbon balance. Developing catalysts which can break C–H bonds of methane to selectively make useful chemicals at mild conditions is vital to commercialization. Single atom catalysts (SACs) with specifically coordinated metal centers on active support have displayed intrigued reactivity and selectivity for methane oxidation. SACs can significantly reduce the activation energy due to induced electrostatic polarization of the C–H bond to facilitate the accelerated reaction rate at the low reaction temperature. The distinct metal–support interaction can stabilize the intermediate and prevent the overoxidation of the reaction products. The present review accounts for recent progress in the field of SACs for the selective oxidation of CH4 to C1–2 oxygenates. The chemical nature of catalytic sites, effects of metal–support interaction, and stabilization of intermediate species on catalysts to minimize overoxidation are thoroughly discussed with a forward-looking perspective to improve the catalytic performance.
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