Computational Design of Metal-Exchanged MFI Zeolites for Coupling CO2–Ethylene to Form Acrylic Acid

催化作用 沸石 化学 乙烯 电负性 过渡金属 金属 偶联反应 密度泛函理论 再分配(选举) 丙烯酸 分子筛 物理化学 无机化学 计算化学 有机化学 单体 法学 聚合物 政治 政治学
作者
Zaheer Masood,Quy P. Nguyen,Bin Wang
出处
期刊:ACS Sustainable Chemistry & Engineering [American Chemical Society]
卷期号:12 (18): 6960-6968
标识
DOI:10.1021/acssuschemeng.3c08535
摘要

The production of acrylic acid by coupling CO2 and ethylene is highly desirable, as it uses a C1 molecule to introduce the carboxylic group into a large commodity chemical, forming an unsaturated carboxylic acid. Molecular complexes have been used as catalysts in the literature for this reaction; however, these homogeneous studies were all limited by low activity and stability, and efficient heterogeneous catalysts remain to be explored. Here, we report density functional theory calculations, through which we investigated metal-exchanged MFI zeolites with metals from 3d, 4d, and 5d series for this reaction. Screening of reaction thermodynamics has shown that Sc, Y, Cr, Mo, W, Mn, Tc, and Re dispersed into MFI zeolites are potential catalysts. We further calculated the activation barriers for the β–H transfer, a key elementary step that normally determines the overall rates, and found the lowest barrier over Sc- and Y-MFI; such a feasible kinetics is attributed to the low electronegativity of Sc and Y that strongly affects the nature of the transition states and the charge redistribution during the β–H transfer. This work thus provides guidelines for designing a zeolite-based catalyst for this valuable reaction and identifies promising metal centers to be used.
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