1. На главную
  2. Электронные версии
  3. Кинетика и катализ
  4. T. 64, № 4, 2023

Кинетика и катализ, 2023, T. 64, № 4, стр. 384-393

Квантово-химическое исследование активации связи С–Н в метане на оксидных и сульфидных кластерах Ni–Cu

П. С. Бандурист a, *, Д. А. Пичугина a

a ФГБОУ ВО Московский государственный университет имени М.В. Ломоносова, Химический факультет
119991 Москва, Ленинские горы, 1, стр. 3, Россия

* E-mail: banduristpavel@gmail.com

Поступила в редакцию 21.11.2022
После доработки 30.01.2023
Принята к публикации 01.03.2023

Аннотация

Методом функционала плотности PBE проведено моделирование разрыва связи С–Н в метане на Ni–Cu-кластерах, обогащенных медью, как первой стадии каталитической углекислотной конверсии метана. В качестве моделей катализаторов рассмотрены наноразмерные кластеры NiCu11S6(PH3)8, NiCu11S6, NiCu11O6(PH3)8, NiCu11O6. Рассчитана энергия связи метана с кластерами и определена энергия активация стадии ${\text{CH}}_{4}^{*}$ → ${\text{CH}}_{3}^{*}$ + H*. На основании полученных данных установлено, что каталитическая система NiCu11O6 является наиболее перспективной для активации CH4 как в кинетическом (энергия активации равна 99 кДж/моль), так и в термодинамическом отношении (изменение энергии стадии равно –29 кДж/моль). С целью оценки стабильности кластера NiCu11O6 к зауглероживанию проведено моделирование адсорбции CH с последующей диссоциацией (CH* → C* + H*). Рассчитанное значение энергии активации данной стадии достаточно высокое, 159 кДж/моль.

Ключевые слова: кластеры меди, никель, биметаллические кластеры, DFT, DRM, активация метана, энергия активации

Список литературы

  1. Olivos-Suarez A.I., Szécsényi À., Hensen E.J.M., Ruiz-Martinez J., Pidko E.A., Gascon J. // ACS Catal. 2016. V. 6. P. 2965. https://doi.org/10.1021/acscatal.6b00428

  2. Franz R., Uslamin E.A., Pidko E.A. // Mendeleev Commun. 2021. V. 31. P. 584. https://doi.org/10.1016/j.mencom.2021.09.002

  3. Wang L., Wang F. // Energy Fuels. 2022. V. 36. P. 5594. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.2c01007

  4. Wittich K., Krämer M., Bottke N., Schunk S.A. // ChemCatChem. 2020. V. 12. P. 2130. https://doi.org/10.1002/cctc.201902142

  5. de Medeiros F.G.M., Lopes F.W.B., de Vasconcelos B.R. // Catalysts. 2022. V. 12. P. 363. https://doi.org/10.3390/catal12040363

  6. le Saché E., Reina T.R. // Prog. Energy Combust. Sci. 2022. V. 89. P. 100970. https://doi.org/10.1016/j.pecs.2021.100970

  7. Zhang G., Liu J., Xu Y., Sun Y. // Int. J. Hydrog. Energy. 2018. V. 43. P. 15030. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2018.06.091

  8. Parsapur R.K., Chatterjee S., Huang K.-W. // ACS Energy Lett. 2020. V. 5. P. 2881. https://doi.org/10.1021/acsenergylett.0c01635

  9. Садыков В.А., Симонов М.Н., Беспалко Ю.Н., Боброва Л.Н., Еремеев Н.Ф., Арапова М.В., Смаль Е.А., Мезенцева Н.В., Павлова С.Н. // Кинетика и катализ. 2019. Т. 60. № 5. С. 588. (Sadykov V.A., Simonov M.N., Bespalko Y.N., Bobrova L.N., Eremeev N.F., Arapova M.V., Smal’ E.A., Mesentseva N.V., Pavlova S.N. // Kinet. Catal. 2019. V. 60. № 5. P. 582. https://doi.org/10.1134/S002315841905008210.1134/S0023158419050082)https://doi.org/10.1134/S0453881119050095

  10. Song Y., Ozdemir E., Ramesh S., Adishev A., Subramanian S., Harale A., Albuali M., Fadhel B.A., Jamal A., Moon D., Choi S.H., Yavuz C.T. // Science. V. 367. 2020. P. 777. https://doi.org/10.1126/science.aav2412

  11. Le Saché E., Pastor-Perez L., Watson D., Sepulveda-Escribano A., Reina T.R. // Appl. Catal. B: Env. 2018. V. 236. P. 458. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.05.051

  12. Волнина Э.А., Кипнис М.А. // Кинетика и катализ. 2020. Т. 61. № 1. С. 107. https://doi.org/ (Volnina E.A., Kipnis M.A. // Kinet. Catal. 2020. V. 61. № 1. P. 119. https://doi.org/10.1134/S002315842001011510.1134/S0023158420010115)https://doi.org/10.31857/S045388112001013X

  13. Álvarez A., Bansode A., Urakawa A., Bavykina A.V., Wezendonk T.A., Makkee M., Gascon J., Kapteijn F. // Chem. Rev. 2017. V. 117. P. 9804. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.6b00816

  14. Mahmoudi H., Mahmoudi M., Doustdar O., Jahangiri H., Tsolakis A., Gu S., Wyszynski M.L. // Biofuels Eng. 2017. V. 2. P. 11. https://doi.org/10.1515/bfuel-2017-0002

  15. Pakhare D., Spivey J. // Chem. Soc. Rev. 2014. V. 43. P. 7813. https://doi.org/10.1039/C3CS60395D

  16. Rezaei M., Alavi S.M., Sahebdelfar S., Yan Z.F. // J. Nat. Gas. Chem. 2006. V. 15. P. 327. https://doi.org/10.1016/S1003-9953(07)60014-0

  17. Barama S., Dupeyrat-Batiot C., Capron M., Bordes-Richard E., Bakhti-Mohammedi O. // Catal. Today. 2009. V. 141. P. 385. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2008.06.025

  18. Ferreira-Aparicio P., Guerrero-Ruiz A., Rodriquez-Ramos I. // Appl. Catal. A: Gen. 1998. V. 170. P. 177. https://doi.org/10.1016/S0926-860X(98)00048-9

  19. Hou Z., Chen P., Fang H., Zheng X., Yashima T. // Int. J. Hydrog. Energy. 2006. V. 31. P. 555. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2005.06.010

  20. Aramouni N.A.K., Touma J.G., Tarboush B.A., Zeaiter J., Ahmad M.N. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2018. V. 82. P. 2570. https://doi.org/10.1016/j.rser.2017.09.076

  21. Abdulrasheed A., Jalil A.A., Gambo Y., Ibrahim M., Hambali H.U., Shahul Hamid M.Y. // Renew. Sustain. Energy Rev. 2019. V. 108. P. 175. https://doi.org/10.1016/j.rser.2019.03.054

  22. Goula M.A., Charisiou N.D., Siakavelas G., Tzounis L., Tsiaoussis I., Panagiotopoulou P., Goula G., Yentekakis I.V. // Int. J. Hydrog. Energy. 2017. V. 42. P. 13724. https://doi.org/10.1016/j.ijhydene.2016.11.196

  23. Zhang W.D., Liu B.S., Tian Y.L. // Catal. Comm. 2007. V. 8. P. 661. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2006.08.020

  24. Yu X., Zhang F., Chu W. // RSC Adv. 2016 V. 6. P. 70 537. https://doi.org/10.1039/C6RA12335J

  25. le Saché E., Johnson S., Pastor-Perez L., Horri B.A., Reina T.R. // Energies. 2019. V. 12. P. 1007. https://doi.org/10.3390/en12061007

  26. Song Z., Wang Q., Guo C., Li S., Yan W., Jiao W., Qiu L., Yan X., Li R. // Ind. Eng. Chem. Res. 2020. V. 59. P. 17 250. https://doi.org/10.1021/acs.iecr.0c01204

  27. Crisafulli C., Scirè S., Maggiore R., Minicò S., Galvagno S. // Catal. Let. 1999. V. 59. P. 21. https://doi.org/10.1023/A:1019031412713

  28. García-Diéguez M., Pieta I.S., Herrera M.C., Larrubia M.A., Alemany L.J. // Catal. Today. 2011. V. 172. P. 136. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2011.02.012

  29. Mahoney E.G., Pusel J.M., Stagg-Williams S.M., Faraji S. // J. CO2 Util. 2014. V. 6. P. 40. https://doi.org/10.1016/j.jcou.2014.01.003

  30. Huang T., Huang W., Huang J., Ji P. // Fuel Process. Technol. 2011. V. 92. P. 1868. https://doi.org/10.1016/j.fuproc.2011.05.002

  31. Chatla A., Ghouri M.M., El Hassan O.W., Mohamed N., Prakash A.V., Elbashir N.O. // Appl. Catal. A: Gen. 2020. V. 602. P. 117699. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2020.117699

  32. Franz R., Pinto D., Uslamin E.A., Urakawa A., Pidko E.A. // ChemCatChem. 2021. V. 13. P. 5034. https://doi.org/10.1002/cctc.202101080

  33. Franz R., Kühlewind T., Shterk G., Abou-Hamad E., Parastaev A., Uslamin E., Hensen E.J.M., Kapteijn F., Gascon J., Pidko E.A. // Catal. Sci. Technol. 2020. V. 10. P. 3965. https://doi.org/10.1039/D0CY00817F

  34. Zhang X., Vajglova Z., Mäki-Arvela P., Peurla M., Palonen H., Murzin D.Yu., Tungatarova S.A., Baizhumanova T.S., Aubakirov Y.A. // ChemistrySelect. 2021. V. 6. P. 3424. https://doi.org/10.1002/slct.202100686

  35. Gawande M.B., Goswami A., Felpin F.-X., Asefa T., Huang X., Silva R., Zou X., Zboril R., Varma R.S. // Chem. Rev. 2016. V. 116. P. 3722. https://doi.org/10.1021/acs.chemrev.5b00482

  36. Wang M., Fu Z., Yang Z. // Phys. Lett. A. 2013. V. 377. P. 2189. https://doi.org/10.1016/j.physleta.2013.05.054

  37. An W., Zeng X.C., Turner C.H. // J. Chem. Phys. 2009. V. 131. P. 174702. https://doi.org/10.1063/1.3254383

  38. Omran A., Yoon S.H., Khan M., Ghouri M., Chatla A., Elbashir N. // Catalysts. 2020. V. 10. P. 1043. https://doi.org/10.3390/catal10091043

  39. Qiu H., Ran J., Niu J., Guo F., Ou Z. // Mol. Catal. 2021. V. 502. P. 111360. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2020.111360

  40. Liu H., Zhang R., Yan R., Li J., Wang B., Xie K. // Appl. Surf. Sci. 2012. V. 258. P. 8177. https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2012.05.017

  41. Zhang R., Guo X., Wang B., Ling L. // J. Phys. Chem. C. 2015. V. 119. P. 14135. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.5b03868

  42. Xiao Z., Hou F., Zhang J., Zheng Q., Xu J., Pan L., Wang L., Zou J., Zhang X., Li G. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2021. V. 13. P. 48838. https://doi.org/10.1021/acsami.1c14918

  43. Lee J.-H., Lee E.-G., Joo O.-S., Jung K.-D. // Appl. Catal. A: Gen. 2004. V. 269. P. 1. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2004.01.035

  44. Chen H.-W., Wang C.-Y., Yu C.-H., Tseng L.-T., Liao P.-H. // Catal. Today. 2004. V. 97. P. 173. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2004.03.067

  45. Wu T., Cai W., Zhang P., Song X., Gao L. // RSC Adv. 2013. V. 3. P. 23976. https://doi.org/10.1039/c3ra43203c

  46. Li B., Xu Z., Jing F., Luo S., Wang N., Chu W. // J. Energy Chem. 2016. V. 25. P. 1078. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2016.11.001

  47. Nataj S.M.M, Alavi S.M., Mazloom G. // J. Energy Chem. 2018. V. 27. P. 1475. https://doi.org/10.1016/j.jechem.2017.10.002

  48. Song K., Lu M., Xu S., Chen C., Zhan Y., Li D., Au C., Jiang L., Tomishige K. // Appl. Catal. B: Env. 2018. V. 239. P. 324. https://doi.org/10.1016/j.apcatb.2018.08.023

  49. Rezaei R., Moradi G., Sharifnia S. // Energy Fuels. 2019. V. 33. P. 6689. https://doi.org/10.1021/acs.energyfuels.9b00692

  50. Yang Y., Lin Y.-A., Yan X., Chen F., Shen Q., Zhang L., Yan N. // ACS Appl. Energy Mater. 2019. V. 2. P. 8894. https://doi.org/10.1021/acsaem.9b01923

  51. Han K., Wang S., Liu Q., Wang F. // ACS Appl. Nano Mater. 2021. V. 4. P. 5340. https://doi.org/10.1021/acsanm.1c00673

  52. Han K., Wang S., Hu N., Shi W., Wang F. // ACS Appl. Mater. Interfaces. 2022. V. 14. P. 23487. https://doi.org/10.1021/acsami.2c03757

  53. Rahemi N., Haghighi M., Babaluo A.A., Allahyari S., Jafari M.F. // Energy Convers. Manag. 2014. V. 84. P. 50. https://doi.org/10.1016/j.enconman.2014.04.016

  54. Wu T., Zhang Q., Cai W., Zhang P., Song X., Sun Z., Gao L. // Appl. Catal. A: Gen. 2015. V. 503. P. 94. https://doi.org/10.1016/j.apcata.2015.07.012

  55. Bian Z., Das S., Wai M.H., Hongmanorom P., Kawi S. // ChemPhysChem. 2017. V. 18. P. 3117. https://doi.org/10.1002/cphc.201700529

  56. Kolganov A.A., Gabrienko A.A., Chernyshov I.Yu., Stepanov A.G. Pidko E.A. // Phys. Chem. Chem. Phys. 2022. V. 24. P. 6492. https://doi.org/10.1039/D1CP05854A

  57. Dehnen S., Schläfer A., Fenske D., Ahlrichs R. // Angew. Chem. 1994. V. 106. P. 786. https://doi.org/10.1002/ange.19941060713

  58. Dehnen S., Fenske D., Deveson A.C. // J. Clust. Sci. 1996. V. 7. P. 351. https://doi.org/10.1007/BF01171188

  59. Пичугина Д.А., Кузьменко Н.Е., Шестаков А.Ф. // Успехи химии. 2015. Т. 84. С. 1114. (Pichugina D.A., Kuz’menko N.E., Shestakov A.F. // Russ. Chem. Rev. 2015. V. 84. P. 1114. )https://doi.org/10.1070/RCR4493

  60. Perdew J.P., Ernzerhof M., Burke K. // J. Chem. Phys. 1996. V. 105. P. 9982. https://doi.org/10.1063/1.472933

  61. Laikov D.N. // Chem. Phys. Lett. 2005. V. 416. P. 116. https://doi.org/10.1016/j.cplett.2005.09.046

  62. Schlegel H.B. // J. Comput. Chem. 1982. V. 3. P. 214. https://doi.org/10.1002/jcc.540030212

  63. Лайков Д.Н., Устынюк Ю.А. // Изв. АН. Сер. хим. 2005. № 3. С. 804. (Laikov D.N., Ustynyuk Yu.A. // Russ. Chem. Bull. 2005. № 3. P. 820.)

  64. Chen T., Fang L., Luo W., Meng Y., Xue J., Xia S., Ni Z. // Chem. J. Chin. Univ. 2019. V. 40. P. 2135. https://doi.org/10.7503/cjcu20190267

  65. Zhang L., Meng Y., Yang J., Shen H., Yang C., Xie B., Xia S. // Fuel. 2021. V. 303. P. 121263. https://doi.org/10.1016/j.fuel.2021.121263

Дополнительные материалы отсутствуют.

Инструменты

следующая статья выпуска предыдущая статья выпуска содержание выпуска

Кинетика и катализ

Архивы выпусков Информация о журнале Отправить рукопись в журнал