Co3+–O Bond Elongation Unlocks Co3O4 for Methane Activation under Ambient Conditions

甲烷 纳米材料基催化剂 催化作用 氧化物 吸附 解吸 甲烷氧化偶联 甲烷厌氧氧化 化学 活化能 键能 化学工程 物理化学 无机化学 有机化学 分子 工程类
作者
Wei Wen,Jianwei Che,Jin‐Ming Wu,Hisayoshi Kobayashi,Yang Pan,Wu Wen,Yihu Dai,Wei Huang,Cong Fu,Qiuyue Zhou,Guanglie Lü,He Tian,Juanjuan Liu,Peng Yang,Xing Chen,Tulai Sun,Jie Fan
出处
期刊:ACS Catalysis [American Chemical Society]
卷期号:12 (12): 7037-7045 被引量:20
标识
DOI:10.1021/acscatal.1c05744
摘要

The pursuit of low-temperature methane activation is a paramount challenge for heterogeneous catalysis because of the high stability of the C–H bonds (435 kJ mol–1). Very few catalysts fulfill this through either constructing complex interfaces or using special noble metal oxides. Bond length, which is highly temperature-sensitive, has long been ignored in catalyst studies. Here, we exploit a bond-length elongation strategy to unlock a nonprecious metal oxide for dissociating methane at normal temperature and pressure. Mesoporous bubblelike Co3O4 with elongated Co3+–O bonds, synthesized through a unique "melting–foaming–solidifying" route, is found to activate methane at room temperature to form COx species on the very surface revealed by temperature-programmed reaction spectroscopy experiments. A combination of experimental and theoretical methods suggests that the elongated Co3+–O bonds contribute to the greatly enhanced methane adsorption, in contrast to the weak adsorption of methane on conventional nonprecious metal oxides. Accordingly, the activation energy for the C–H bond cleavage is smaller than that for methane desorption, which finally leads to the low-temperature methane activation. The simultaneous enhancement in intrinsic activity and mass transfer endows mesoporous bubblelike Co3O4 with excellent catalytic activity for methane combustion, where the complete conversion temperature is much below that over the conventional Co3O4 nanocatalysts.
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