Atomic control of active-site ensembles in ordered alloys to enhance hydrogenation selectivity

化学 金属间化合物 催化作用 乙烯 选择性 异核分子 化学计量学 Atom(片上系统) 活动站点 结晶学 无机化学 物理化学 分子 合金 有机化学 计算机科学 嵌入式系统
作者
Anish Dasgupta,Haoran He,Rushi Gong,Shun‐Li Shang,Eric Zimmerer,Randall J. Meyer,Zi‐Kui Liu,Michael J. Janik,Robert M. Rioux
出处
期刊:Nature Chemistry [Springer Nature]
卷期号:14 (5): 523-529 被引量:125
标识
DOI:10.1038/s41557-021-00855-3
摘要

Intermetallic compounds offer unique opportunities for atom-by-atom manipulation of catalytic ensembles through precise stoichiometric control. The (Pd, M, Zn) γ-brass phase enables the controlled synthesis of Pd–M–Pd catalytic sites (M = Zn, Pd, Cu, Ag and Au) isolated in an inert Zn matrix. These multi-atom heteronuclear active sites are catalytically distinct from Pd single atoms and fully coordinated Pd. Here we quantify the unexpectedly large effect that active-site composition (that is, identity of the M atom in Pd–M–Pd sites) has on ethylene selectivity during acetylene semihydrogenation. Subtle stoichiometric control demonstrates that Pd–Pd–Pd sites are active for ethylene hydrogenation, whereas Pd–Zn–Pd sites show no measurable ethylene-to-ethane conversion. Agreement between experimental and density-functional-theory-predicted activities and selectivities demonstrates precise control of Pd–M–Pd active-site composition. This work demonstrates that the diversity and well-defined structure of intermetallics can be used to design active sites assembled with atomic-level precision. Advances in the design of heterogeneous catalysts are limited by our ability to synthesize atomically precise active-site ensembles. Now, the controlled synthesis of Pd–M–Pd catalytic sites (M = Zn, Pd, Cu, Ag and Au) has been demonstrated. Stoichiometric control identifies that Pd–Pd–Pd sites are active for ethylene hydrogenation, whereas Pd–Zn–Pd sites are not.
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