Identifying the Optimal Pd Ensemble Size in Dilute PdAu Alloy Nanomaterials for Benzaldehyde Hydrogenation

苯甲醇 苯甲醛 催化作用 双金属片 甲苯 化学 选择性 密度泛函理论 纳米颗粒 多相催化 材料科学 有机化学 纳米技术 计算化学
作者
Selina K. Kaiser,Jessi E. S. van der Hoeven,George Yan,Kang Rui Garrick Lim,Hio Tong Ngan,Salil Garg,Mustafa Karatok,Michael Aizenberg,Joanna Aizenberg,Philippe Sautet,C. M. Friend,Robert J. Madix
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:13 (18): 12092-12103 被引量:1
标识
DOI:10.1021/acscatal.3c02671
摘要

Unraveling metal nuclearity effects is central for active site identification and the development of high-performance heterogeneous catalysts. Herein, a platform of nanostructured palladium (Pd) in gold (Au) dilute alloy nanoparticles supported on raspberry-colloid-templated (RCT) silica was employed to systematically assess the impact of the Pd ensemble size for the low-nuclearity regime in the Au surface layer, from single atoms to clusters, on the catalytic performance in the liquid-phase hydrogenation of benzaldehyde to benzyl alcohol. Combining catalyst evaluation, detailed characterization, and mechanistic studies based on density functional theory, we show that Pd single atoms in the Au surface plane (corresponding to samples with 4 atom % Pd in Au) are virtually inactive in this reaction and benzyl alcohol production is optimal over small Pd clusters (corresponding to samples with 10–12 atom % Pd in Au) due to superior benzaldehyde adsorption and transition state stabilization for the C–H bond formation step. For larger Pd ensembles (samples with ≥10 atom % Pd in Au), C–O bond hydrogenolysis occurs, promoting toluene formation and decreasing the selectivity toward benzyl alcohol, in line with a relatively lowered C–O bond cleavage barrier. Nevertheless, the nanostructured bimetallic Pd13Au87/SiO2-RCT catalyst still outperforms monometallic Pd counterparts in terms of selectivity for benzyl alcohol over toluene at comparable conversion and rate. Furthermore, the stability is improved compared to pure Pd nanoparticles due to inhibited particle agglomeration in the RCT silica matrix.
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