Mechanistic Complexity of Methane Oxidation with H2O2 by Single-Site Fe/ZSM-5 Catalyst

异构化 均分解 化学 催化作用 甲烷 离解(化学) 沸石 键裂 光化学 激进的 反应机理 甲烷厌氧氧化 密度泛函理论 无机化学 物理化学 计算化学 有机化学
作者
Ágnes Szécsényi,Guanna Li,Jorge Gascón,Evgeny A. Pidko
出处
期刊:ACS Catalysis 卷期号:8 (9): 7961-7972 被引量:115
标识
DOI:10.1021/acscatal.8b01672
摘要

Periodic density functional theory (DFT) calculations were carried out to investigate the mechanism of methane oxidation with H2O2 over the defined Fe sites in Fe/ZSM-5 zeolite. The initial Fe site is modeled as a [(H2O)2–Fe(III)–(μO)2–Fe(III)–(H2O)2]2+ extraframework cluster deposited in the zeolite pore and charge-compensated by two anionic lattice sites. The activation of this cluster with H2O2 gives rise to the formation of a variety of Fe(III)-oxo and Fe(IV)-oxo complexes potentially reactive toward methane dissociation. These sites are all able to promote the first C–H bond cleavage in methane by following three possible reaction mechanisms: namely, (a) heterolytic and (b) homolytic methane dissociation as well as (c) Fenton-type reaction involving free OH radicals as the catalytic species. The C–H activation step is followed by formation of MeOH and MeOOH and regeneration of the active site. The Fenton-type path is found to proceed with the lowest activation barrier. Although the barriers for the alternative heterolytic and homolytic pathways are found to be somewhat higher, they are still quite favorable and are expected to be feasible under reaction conditions, resulting ultimately in MeOH and MeOOH products. H2O2 oxidant competes with CH4 substrate for the same sites. Since the oxidation of H2O2 to O2 and two [H+] is energetically more favorable than the C–H oxofunctionalization, the overall efficiency of the latter target process remains low.
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