Reversed Charge Transfer Enables Dual Active Sites on Ir/hBN for Synergistic N2O Valorization and Propane Selective Oxidation

丙烷 催化作用 化学 X射线光电子能谱 脱氢 烷烃 选择性 氧化还原 氧化物 离解(化学) 光化学 化学工程 无机化学 有机化学 物理化学 工程类
作者
Yunshuo Wu,Yuxin Sun,Xuanhao Wu,Haiqiang Wang,Zhongbiao Wu
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:14 (17): 13520-13530 被引量:19
标识
DOI:10.1021/acscatal.4c03697
摘要

Valorization of nitrous oxide (N2O) as a mild oxygen source for light alkanes presents a promising and economical method for mitigating global warming. However, activating N2O and alkane together often leads to overoxidation and poor selectivity of the products. To disentangle the trade-off between activity and selectivity, herein, an Ir-based hexagonal boron nitride (hBN) catalyst was synthesized to obtain a reversed charge transfer (RCT) from the support to metal centers, forming dual active sites on Ir clusters and the separation of redox centers, as determined via operando near-ambient-pressure X-ray photoelectron spectroscopy (NAP-XPS) and density functional theory (DFT) calculations. Ir/hBN demonstrated a high N2O conversion (99.5%) and syngas yield (95.9 mol of CO kgcat–1 h–1 and 41.9 mol of H2 kgcat–1 h–1) during the selective oxidation of propane (C3H8) at 450 °C. The electron-rich Ir interfacial perimeter sites (Irδ−) enhance N2O adsorption and N–O bond dissociation to produce active O*; however, facial metallic Ir0 sites effectively facilitate C3H8 activation, including dehydrogenation and cracking. The separation of H* and O* intermediates, along with the frustrated H*/O* spillover, effectively facilitates the formation of H2. The *CH2 intermediate from C3H8 breakage migrates and reacts with O* bound to Ir interfacial sites, where it is oxidized to CO32– and subsequently liberates CO. This study provides mechanistic insights into the O element valorization from N2O with synergetic enhancement in selective oxidation of light alkanes.
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