Steam-created grain boundaries for methane C–H activation in palladium catalysts

催化作用 甲烷 晶界 化学 化学工程 材料科学 冶金 微观结构 有机化学 工程类
作者
Weixin Huang,Aaron C. Johnston‐Peck,Trenton J. Wolter,Wei‐Chang Yang,Lang Xu,Jinwon Oh,Benjamin A. Reeves,Chengshuang Zhou,Megan E. Holtz,Andrew A. Herzing,Aaron M. Lindenberg,Manos Mavrikakis,Matteo Cargnello
出处
期刊:Science [American Association for the Advancement of Science (AAAS)]
卷期号:373 (6562): 1518-1523 被引量:137
标识
DOI:10.1126/science.abj5291
摘要

Defects may display high reactivity because the specific arrangement of atoms differs from crystalline surfaces. We demonstrate that high-temperature steam pretreatment of palladium catalysts provides a 12-fold increase in the mass-specific reaction rate for carbon-hydrogen (C–H) activation in methane oxidation compared with conventional pretreatments. Through a combination of experimental and theoretical methods, we demonstrate that an increase in the grain boundary density through crystal twinning is achieved during the steam pretreatment and oxidation and is responsible for the increased reactivity. The grain boundaries are highly stable during reaction and show specific rates at least two orders of magnitude higher than other sites on the palladium on alumina (Pd/Al2O3) catalysts. Theoretical calculations show that strain introduced by the defective structure can enhance C–H bond activation. Introduction of grain boundaries through laser ablation led to further rate increases.
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