Citation: Qinghao Shang, Nanfang Tang, Haifeng Qi, Shuai Chen, Guoliang Xu, Chuntian Wu, Xiaoli Pan, Xiaodong Wang, Yu Cong. A palladium single-atom catalyst toward efficient activation of molecular oxygen for cinnamyl alcohol oxidation[J]. Chinese Journal of Catalysis, 2020, 41(12): 1812-1817. doi: 10.1016/S1872-2067(20)63651-8
单原子Pd催化剂活化分子氧用于肉桂醇氧化
本文在富含不饱和五配位铝的氧化铝载体上分别负载了单原子分散和纳米颗粒的Pd,制备了相同负载量的Pd/Al2O3催化剂.其中单原子Pd1/Al2O3催化剂表现出非常好的肉桂醇氧化活性,在80℃反应8h能达到92%肉桂醇转化率,其TOF值是纳米颗粒Pd/Al2O3催化剂的15.5倍,与类似反应条件下的其他文献报道的数值相当.我们还通过一系列表征提出了反应过程中具体的O2的活化机理和进一步的整体反应路径.
XPS,XANES,CO-DRIFT等结果表明,Pd/Al2O3和Pd1/Al2O3催化剂中Pd的价态迥然不同,结合二者催化活性的显著差异,我们推断部分还原的Pdδ+正价态物种才是Pd1/Al2O3催化剂中真正的活性中心.进一步结合27Al NMR的表征结果发现,Pd1/Al2O3催化剂中的Pd与富含不饱和五配位铝(Alpenta3+)的Al2O3之间形成强相互作用,从而导致其以单原子形式分散并具有独特的电子性质.为了揭示本工作中所涉及的具体的活化过程和反应机理,我们进行了原位紫外光谱和电子顺磁共振光谱表征,发现肉桂醇分子吸附到单原子Pd上后,生成了部分脱氢的中间产物,同时分子氧在单原子Pd上活化,形成了单线态氧活性物种(1O2).
综合以上结果,我们推导出一个在Pd1/Al2O3上进行的活化分子氧进行肉桂醇选择性氧化的分步反应路径.首先,肉桂醇分子吸附到单原子Pd上,发生电荷转移生成部分脱氢的中间产物,同时,分子氧也在Pd上活化,生成单线态氧物种1O2,然后和肉桂醇中间产物反应,生成目标产物肉桂醛.
English
A palladium single-atom catalyst toward efficient activation of molecular oxygen for cinnamyl alcohol oxidation
-
Key words:
- Single-atom catalysis
- / Palladium
- / Alcohol oxidation
- / Oxygen activation
- / Metal support interaction
-
-
[1] R. A. Sheldon, J. K. Kochi, Metal-Catalyzed Oxidation of Organic Compounds, Academic Press, 1981.
-
[2] F. Su, Y. Liu, L. Wang, Y. Cao, H. He, K. Fan, Angew. Chem. Int. Ed., 2008, 47, 334-337.
-
[3] S. S. Stahl, Angew. Chem. Int. Ed., 2004, 43, 3400-3420.
-
[4] R. Long, H. Huang, Y. Li, L. Song, Y. Xiong, Adv. Mater., 2015, 27, 7025-7042.
-
[5] D. Kovalev, M. Fujii, Adv. Mater., 2005, 17, 2531-2544.
-
[6] R. A. Sheldon, I. W. C. E. Arends, G. J. Ten Brink, A. Dijksman, Acc. Chem. Res., 2002, 35, 774-781.
-
[7] B. T. Qiao, A. Q. Wang, X. F. Yang, L. F. Allard, Z. Jiang, Y. T. Cui, J. Y. Liu, J. Li, T. Zhang, Nat. Chem., 2011, 3, 634-641.
-
[8] P. X. Liu, Y. Zhao, R. X. Qin, S. G. Mo, G. X. Chen, L. Gu, D. M. Chevrier, P. Zhang, Q. Guo, D. D. Zang, B. H. Wu, G. Fu, N. F. Zheng, Science, 2016, 352, 797-801.
-
[9] L. Nie, D. Mei, H. Xiong, B. Peng, Z. Ken, X. I. P. Hernandez, A. DeLariva, M. Wang, M. H. Engelhard, L. Kovarik, A. K. Datye, Y. Wang, Science, 2017, 358, 1419-1423.
-
[10] P. Y. Xin, J. Li, Y. Xiong, X. Wu, J. C. Dong, W. X. Chen, Y. Wang, L. Gu, J. Luo, H. P. Rong, C. Chen, Q. Peng, D. S. Wang, Y. D. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 4642-4646.
-
[11] B. Han, R. Lang, B. Qiao, A. Wang, T. Zhang, Chin. J. Catal., 2017, 38, 1498-1507.
-
[12] X. F. Yang, A. Q. Wang, B. T. Qiao, J. Li, J. Y. Liu, T. Zhang, Acc. Chem. Res., 2013, 46, 1740-1748.
-
[13] X. J. Cui, W. Li, P. Ryabchuk, K. Junge, M. Beller, Nat. Catal., 2018, 1, 385-397.
-
[14] F. Chen, X. Jiang, L. Zhang, R. Lang, B. Qiao, Chin. J. Catal., 2018, 39, 893-898.
-
[15] T. Li, F. Liu, Y. Tang, L. Li, S. Miao, Y. Su, J. Zhang, J. Huang, H. Sun, M. Haruta, A. Wang, B. Qiao, J. Li, T. Zhang, Angew. Chem. Int. Ed., 2018, 57, 7795-7799.
-
[16] S. E. J. Hackett, R. M. Brydson, M. H. Gass, I. Harvey, A. D. Newman, K. Wilson, A. F. Lee, Angew. Chem. Int. Ed., 2007, 46, 8593-8596.
-
[17] T. Ishida, T. Honma, K. Nakada, H. Murayama, T. Mamba, K. Kume, Y. Izawa, M. Utsunomiya, M. Tokunaga, J. Catal., 2019, 374, 320-327.
-
[18] T. T. Chao, X. Luo, W. X. Chen, B. Jiang, J. J. Ge, Y. Lin, G. Wu, X. Q. Wang, Y. M. Hu, Z. B. Zhuang, Y. E. Wu, X. Hong, Y. D. Li, Angew. Chem. Int. Ed., 2017, 56, 16047-16051.
-
[19] D. I. Enache, J. K. Edwards, P. Landon, B. Solsona-Espriu, A. F. Carley, A. A. Herzing, M. Watanabe, C. J. Kiely, D. W. Knight, G. J. Hutchings, Science, 2006, 311, 362-365.
-
[20] J. F. Moulder, J. Chastain, Handbook of X-ray Photoelectron Spectroscopy:A Reference Book of Standard Spectra for Identification, Interpretation of XPS Data, Physical Electronics Division, Perkin-Elmer Corporation, 1992.
-
[21] D. S. Mannel, J. King, Y. Preger, M. S. Ahmed, T. W. Root, S. S. Stahl, ACS Catal., 2018, 8, 1038-1047.
-
[22] P. Mäki Arvela, A. V. Tokarev, E. V. Murzina, B. Campo, T. Heikkilä, J. M. Brozinski, D. Wolf, D. Y. Murzin, Phys. Chem. Chem. Phys., 2011, 13, 9268-9280.
-
[23] K. Murata, Y. Mahara, J. Ohyama, Y. Yamamoto, S. Arai, A. Satsuma, Angew. Chem., Int. Ed., 2017, 56, 15993-15997.
-
[24] L. Ding, H. Yi, W. Zhang, R. You, T. Cao, J. Yang, J. Lu, W. Huang, ACS Catal., 2016, 6, 3700-3707.
-
[25] M. Peter, J. M. Flores Camacho, S. Adamovski, L. K. Ono, K. H. Dostert, C. P. O'Brien, B. Roldan Cuenya, S. Schauermann, H. J. Freund, Angew. Chem., Int. Ed., 2013, 52, 5175-5179.
-
[26] P. Liu, Y. Zhao, R. Qin, S. Mo, G. Chen, L. Gu, D. M. Chevrier, P. Zhang, Q. Guo, D. Zang, B. Wu, G. Fu, N. Zheng, Science, 2016, 352, 797-801.
-
[27] V. V. Kaichev, I. P. Prosvirin, V. I. Bukhtiyarov, H. Unterhalt, G. Rupprechter, H. J. Freund, J. Phys. Chem. B, 2003, 107, 3522-3527.
-
[28] J. D. Grunwaldt, M. Caravati, M. Ramin, A. Baiker, Catal. Lett., 2003, 90, 221-229.
-
[29] T. Mallat, A. Baiker, Chem. Rev., 2004, 104, 3037-3058.
-
[30] H. L. Tang, F. Liu, J. K. Wei, B. T. Qiao, K. F. Zhao, Y. Su, C. Z. Jin, L. Li, J. Y. Liu, J. H. Wang, T. Zhang, Angew. Chem. Int. Ed., 2016, 55, 10606-10611.
-
[31] V. Ramalingam, P. Varadhan, H. C. Fu, H. Kim, D. L. Zhang, S. M. Chen, L. Song, D. Ma, Y. Wang, H. N. Alshareef, J. H. He, Adv. Mater., 2019, 31, 1903841.
-
[32] J. J. Li, Q. Q. Guan, H. Wu, W. Liu, Y. Lin, Z. H. Sun, X. X. Ye, X. S. Zheng, H. B. Pan, J. F. Zhu, S. Chen, W. H. Zhang, S. Q. Wei, J. L. Lu, J. Am. Chem. Soc., 2019, 141, 14515-14519.
-
[33] N. Tang, Y. Cong, Q. Shang, C. Wu, G. Xu, X. Wang, ACS Catal., 2017, 7, 5987-5991.
-
[34] N. Tang, Y. Zhang, F. Lin, H. Lu, Z. Jiang, C. Li, Chem. Commun., 2012, 48, 11647-11649.
-
[35] R. Long, K. Mao, M. Gong, S. Zhou, J. Hu, M. Zhi, Y. You, S. Bai, J. Jiang, Q. Zhang, X. Wu, Y. Xiong, Angew. Chem. Int. Ed., 2014, 53, 3205-3209.
-
[36] N. Tang, Z. Jiang, C. Li, Green Chem., 2015, 17, 817-820.
-
计量
- PDF下载量: 158
- 文章访问数: 3667
- HTML全文浏览量: 708