Highly Exposed NH2 Edge on Fragmented g‐C3N4 Framework with Integrated Molybdenum Atoms for Catalytic CO2 Cycloaddition: DFT and Techno‐Economic Assessment

催化作用 环加成 石墨氮化碳 环氧丙烷 化学 材料科学 结晶学 物理化学 无机化学 有机化学 环氧乙烷 共聚物 光催化 聚合物
作者
Kien Tiek Wong,Boris Brigljević,Jeong Hyeon Lee,So Yeon Yoon,Seok Byum Jang,Choe Earn Choong,In-Wook Nah,Hyeongjun Kim,Hyun‐Seog Roh,Sang Kyu Kwak,Hankwon Lim,Min Jang
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:19 (1) 被引量:5
标识
DOI:10.1002/smll.202204336
摘要

This study focuses on the applicability of single-atom Mo-doped graphitic carbon nitride (GCN) nanosheets which are specifically engineered with high surface area (exfoliated GCN), NH2 rich edges, and maximum utilization of isolated atomic Mo for propylene carbonate (PC) production through CO2 cycloaddition of propylene oxide (PO). Various operational parameters are optimized, for example, temperature (130 °C), pressure (20 bar), catalyst (Mo2 GCN), and catalyst mass (0.1 g). Under optimal conditions, 2% Mo-doped GCN (Mo2 GCN) has the highest catalytic performance, especially the turnover frequency (TOF) obtained, 36.4 h-1 is higher than most reported studies. DFT simulations prove the catalytic performance of Mo2 GCN significantly decreases the activation energy barrier for PO ring-opening from 50-60 to 4.903 kcal mol-1 . Coexistence of Lewis acid/base group improves the CO2 cycloaddition performance by the formation of coordination bond between electron-deficient Mo atom with O atom of PO, while NH2 surface group disrupts the stability of CO2 bond by donating electrons into its low-level empty orbital. Steady-state process simulation of the industrial-scale consumes 4.4 ton h-1 of CO2 with PC production of 10.2 ton h-1 . Techno-economic assessment profit from Mo2 GCN is estimated to be 60.39 million USD year-1 at a catalyst loss rate of 0.01 wt% h-1 .
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