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Retrofitting Zr-Oxo Nodes of UiO-66 by Ru Single Atoms to Boost Methane Hydroxylation with Nearly Total Selectivity

化学 改装 催化作用 选择性 甲烷 羟基化 氢化物 无机化学 有机化学 工程类 结构工程
作者
Geqian Fang,Fenfei Wei,Jian Lin,Yanliang Zhou,Li Xian Sun,Xin Shang,Sen Lin,Xiaodong Wang
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:145 (24): 13169-13180 被引量:56
标识
DOI:10.1021/jacs.3c02121
摘要

Direct selective oxidation of methane (DSOM) to high value-added oxygenates under mild conditions is attracting considerable interest. Although state-of-the-art supported metal catalysts can improve methane conversion, it is still challenging to avoid the deep oxidation of oxygenates. Here, we develop a highly efficient metal-organic frameworks (MOFs)-supported single-atom Ru catalyst (Ru1/UiO-66) for the DSOM reaction using H2O2 as an oxidant. It endows nearly 100% selectivity and an excellent turnover frequency of 185.4 h-1 for the production of oxygenates. The yield of oxygenates is an order of magnitude higher than that on UiO-66 alone and several times higher than that on supported Ru nanoparticles or other conventional Ru1 catalysts, which show severe CO2 formation. Detailed characterizations and density functional theory calculations reveal a synergistic effect between the electron-deficient Ru1 site and the electron-rich Zr-oxo nodes of UiO-66 on Ru1/UiO-66. The Ru1 site is responsible for the activation of CH4 via the resulting Ru1═O* species, while the Zr-oxo nodes undertake the formation of oxygenic radical species to produce oxygenates. In particular, the Zr-oxo nodes retrofitted by Ru1 can prune the excess H2O2 to inactive O2 more than •OH species, helping to suppress the over-oxidation of oxygenates.
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