Selective Hydrogenation of Acrolein Over Pd Model Catalysts: Temperature and Particle‐Size Effects

The selectivity in the hydrogenation of acrolein over Fe₃O₄‐supported Pd nanoparticles has been investigated as a function of nanoparticle size in the 220–270 K temperature range. While Pd(111) shows nearly 100 % selectivity towards the desired hydrogenation of the C=O bond to produce propenol, Pd nanoparticles were found to be much less selective towards this product. In situ detection of surface species by using IR‐reflection absorption spectroscopy shows that the selectivity towards propenol critically depends on the formation of an oxopropyl spectator species. While an overlayer of oxopropyl species is effectively formed on Pd(111) turning the surface highly selective for propenol formation, this process is strongly hindered on Pd nanoparticles by acrolein decomposition resulting in CO formation. We show that the extent of acrolein decomposition can be tuned by varying the particle size and the reaction temperature. As a result, significant production of propenol is observed over 12 nm Pd nanoparticles at 250 K, while smaller (4 and 7 nm) nanoparticles did not produce propenol at any of the temperatures investigated. The possible origin of particle‐size dependence of propenol formation is discussed. This work demonstrates that the selectivity in the hydrogenation of acrolein is controlled by the relative rates of acrolein partial hydrogenation to oxopropyl surface species and of acrolein decomposition, which has significant implications for rational catalyst design.     

First Principles Calculations for Hydrogenation of Acrolein on Pd and Pt: Chemoselectivity Depends on Steric Effects on the Surface

The chemoselective hydrogenation of acrolein on Pt(111) and Pd(111) surfaces is investigated employing density functional theory calculations. The computed potential energy surfaces together with the analysis of reaction mechanisms demonstrate that steric effects are an important factor that governs chemoselectivity. The reactions at the C=O functionality require more space than the reactions at the C=C functionality. Therefore the formation of allyl alcohol is more favorable at low coverage, while the reduction of the C=C bond and the formation of propanal becomes kinetically more favorable at higher coverage. The elementary reaction steps are found to follow different reaction mechanisms, which are identified according to terminology typically used in organometallic catalysis. The transition state scaling (TSS) relationship is demonstrated and the origin of multiple TSS lines is linked to variation of an internal electronic structure of a carbon skeleton.     

Selective hydrogenation of the C=O bond in acrolein through the architecture of bimetallic surface structures

In the current study we have performed experimental studies and density functional theory (DFT) modeling to investigate the selective hydrogenation of the C=O bond in acrolein on two bimetallic surface structures, the subsurface Pt-Ni-Pt(111) and surface Ni-Pt-Pt(111). We have observed for the first time the production of the desirable unsaturated alcohol (2-propenol) on Pt-Ni-Pt(111) under ultra-high vacuum conditions. Furthermore, our DFT modeling revealed a general trend in the binding energy and bonding configuration of acrolein with the surface d-band center of Pt-Ni-Pt(111), Ni-Pt-Pt(111), and Pt(111), suggesting the possibility of using the value of the surface d-band center as a parameter to predict other bimetallic surfaces for the selective hydrogenation of acrolein.     

Chemo-regioselectivity in heterogeneous catalysis: competitive routes for C = O and C = C hydrogenations from a theoretical approach

The usual empirical rule stating that the C=C bond is more reactive than the C=O group for catalytic hydrogenations of unsaturated aldehydes is invalidated from the present study. Density functional theory calculations of all the competitive hydrogenation routes of acrolein on Pt(111) reveals conversely that the attack at the C=O bond is systematically favored. The explanation of such catalytic behavior is the existence of metastable precursor states for the O-H bond formation showing that the attack at the oxygen atom follows a new preferential mechanism where the C=O moiety is not directly bonded with the Pt surface atoms, hence yielding an intermediate pathway between Langmuir-Hinshelwood and Rideal-Eley general types of mechanisms. When the whole catalytic cycle is considered, our results reconcile with experimental studies devoted to hydrogenation of acrolein on Pt, since the desorption step of the partially hydrogenated product (unsaturated alcohol versus saturated aldehyde) plays a key role for the selectivity.     

A Bifunctional Pd/MgO Solid Catalyst for the One‐Pot Selective N‐Monoalkylation of Amines with Alcohols

It has been found that a bifunctional metal Pd/base (MgO) catalyst performs the selective monoalkylation of amines with alcohols. The reaction goes through a series of consecutive steps in a cascade mode that involves: 1) the abstraction of hydrogen from the alcohol that produces the metal hydride and the carbonyl compound; 2) condensation of the carbonyl with the amine to give an imine, and 3) hydrogenation of the imine with the surface hydrogen atoms from the metal hydride. Based on isotopic and spectroscopic studies and on the rate of each elementary step, a global reaction mechanism has been proposed. The controlling step of the process is the hydride transfer from the metal to the imine. By changing the crystallite size of the Pd, it is demonstrated that this is a structure‐sensitive reaction, whereas the competing processes that lead to subproducts are not. On these bases, a highly selective catalyst has been obtained with Pd crystallite size below 2.5 nm in diameter. The high efficiency of the catalytic system has allowed us to extend the process to the one‐pot synthesis of piperazines.     

低温加氢催化剂的设计:理论与实践(英文)

简要总结了我们在C=C及C=O双键低温加氢双金属催化剂方面的最新研究成果.首先,我们以环己烯加氢为探针反应,证明了平行使用多种研究手段的重要性,包括单晶表面的基础研究与DFT计算,多晶表面的合成与表征,负载型催化剂的制备与性能测试等.其次,总结了双金属催化剂在其他加氢反应,如丙烯醛C=O双键的选择性加氢,苯的低温加氢,以及乙炔的选择性加氢等反应中的应用.最后,讨论了利用金属碳化物代替贵金属Pt以减少双金属催化剂中Pt用量的可能性.     

Au(111)面上肉桂醛的选择性加氢机理

采用密度泛函理论并结合周期性平板模型的方法,优化了肉桂醛在Au(111)面上的吸附模型,并详细探讨了肉桂醛在Au(111)面上选择性加氢的反应机理(C=O,C=C以及1,4共轭加成机理).计算结果表明,肉桂醛以C=O和C=C协同吸附于Au(111)面上时,吸附构型最稳定.此时,不同吸附模式的吸附能平均在140.0kJ?mol-1.通过搜索不同机理下每个基元反应的过渡态,得出肉桂醛在Au(111)面上最可能的选择性加氢产物为苯丙醛,且其按照1,4共轭加成机理间接得到苯丙醛比C=C直接加氢机理具有更低的活化能.具体反应过程为:肉桂醛C=O的O优先加H形成烯丙基型中间体,继而该中间体中与苯环相连的C原子继续加H形成烯醇(ENOL),最终烯醇异构成苯丙醛.其中ENOL的生成过程所需的活化能最高,是反应的控速步骤.     

Au(111)面上肉桂醛的选择性加氢机理

采用密度泛函理论并结合周期性平板模型的方法,优化了肉桂醛在Au（111）面上的吸附模型,并详细探讨了肉桂醛在Au（111）面上选择性加氢的反应机理（C=O,C=C以及1,4 共轭加成机理）. 计算结果表明,肉桂醛以C=O和C=C协同吸附于Au（111）面上时,吸附构型最稳定. 此时,不同吸附模式的吸附能平均在140.0kJ·mol^-1. 通过搜索不同机理下每个基元反应的过渡态,得出肉桂醛在Au（111）面上最可能的选择性加氢产物为苯丙醛,且其按照1,4 共轭加成机理间接得到苯丙醛比C=C直接加氢机理具有更低的活化能. 具体反应过程为：肉桂醛C=O的O优先加H形成烯丙基型中间体,继而该中间体中与苯环相连的C原子继续加H形成烯醇（ENOL）,最终烯醇异构成苯丙醛. 其中ENOL的生成过程所需的活化能最高,是反应的控速步骤.     

低温加氢催化剂的设计: 理论与实践

简要总结了我们在C=C及C=O双键低温加氢双金属催化剂方面的最新研究成果. 首先, 我们以环己烯加氢为探针反应, 证明了平行使用多种研究手段的重要性, 包括单晶表面的基础研究与DFT计算, 多晶表面的合成与表征, 负载型催化剂的制备与性能测试等. 其次, 总结了双金属催化剂在其他加氢反应, 如丙烯醛C=O双键的选择性加氢, 苯的低温加氢, 以及乙炔的选择性加氢等反应中的应用. 最后, 讨论了利用金属碳化物代替贵金属Pt以减少双金属催化剂中Pt用量的可能性.     

低温加氢催化剂的设计: 理论与实践

简要总结了我们在C=C及C=O双键低温加氢双金属催化剂方面的最新研究成果. 首先, 我们以环己烯加氢为探针反应, 证明了平行使用多种研究手段的重要性, 包括单晶表面的基础研究与DFT计算, 多晶表面的合成与表征, 负载型催化剂的制备与性能测试等. 其次, 总结了双金属催化剂在其他加氢反应, 如丙烯醛C=O双键的选择性加氢, 苯的低温加氢, 以及乙炔的选择性加氢等反应中的应用. 最后, 讨论了利用金属碳化物代替贵金属Pt以减少双金属催化剂中Pt用量的可能性.     

低温加氢催化剂的设计: 理论与实践

简要总结了我们在C=C及C=O双键低温加氢双金属催化剂方面的最新研究成果. 首先, 我们以环己烯加氢为探针反应, 证明了平行使用多种研究手段的重要性, 包括单晶表面的基础研究与DFT计算, 多晶表面的合成与表征, 负载型催化剂的制备与性能测试等. 其次, 总结了双金属催化剂在其他加氢反应, 如丙烯醛C=O双键的选择性加氢, 苯的低温加氢, 以及乙炔的选择性加氢等反应中的应用. 最后, 讨论了利用金属碳化物代替贵金属Pt以减少双金属催化剂中Pt用量的可能性.     

低温加氢催化剂的设计: 理论与实践

简要总结了我们在C=C及C=O双键低温加氢双金属催化剂方面的最新研究成果. 首先, 我们以环己烯加氢为探针反应, 证明了平行使用多种研究手段的重要性, 包括单晶表面的基础研究与DFT计算, 多晶表面的合成与表征, 负载型催化剂的制备与性能测试等. 其次, 总结了双金属催化剂在其他加氢反应, 如丙烯醛C=O双键的选择性加氢, 苯的低温加氢, 以及乙炔的选择性加氢等反应中的应用. 最后, 讨论了利用金属碳化物代替贵金属Pt以减少双金属催化剂中Pt用量的可能性.     

低温加氢催化剂的设计: 理论与实践

简要总结了我们在C=C及C=O双键低温加氢双金属催化剂方面的最新研究成果. 首先, 我们以环己烯加氢为探针反应, 证明了平行使用多种研究手段的重要性, 包括单晶表面的基础研究与DFT计算, 多晶表面的合成与表征, 负载型催化剂的制备与性能测试等. 其次, 总结了双金属催化剂在其他加氢反应, 如丙烯醛C=O双键的选择性加氢, 苯的低温加氢, 以及乙炔的选择性加氢等反应中的应用. 最后, 讨论了利用金属碳化物代替贵金属Pt以减少双金属催化剂中Pt用量的可能性.     

低温加氢催化剂的设计: 理论与实践

简要总结了我们在C=C及C=O双键低温加氢双金属催化剂方面的最新研究成果. 首先, 我们以环己烯加氢为探针反应, 证明了平行使用多种研究手段的重要性, 包括单晶表面的基础研究与DFT计算, 多晶表面的合成与表征, 负载型催化剂的制备与性能测试等. 其次, 总结了双金属催化剂在其他加氢反应, 如丙烯醛C=O双键的选择性加氢, 苯的低温加氢, 以及乙炔的选择性加氢等反应中的应用. 最后, 讨论了利用金属碳化物代替贵金属Pt以减少双金属催化剂中Pt用量的可能性.     

低温加氢催化剂的设计: 理论与实践

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低温加氢催化剂的设计: 理论与实践

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低温加氢催化剂的设计: 理论与实践

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低温加氢催化剂的设计: 理论与实践

简要总结了我们在C=C及C=O双键低温加氢双金属催化剂方面的最新研究成果. 首先, 我们以环己烯加氢为探针反应, 证明了平行使用多种研究手段的重要性, 包括单晶表面的基础研究与DFT计算, 多晶表面的合成与表征, 负载型催化剂的制备与性能测试等. 其次, 总结了双金属催化剂在其他加氢反应, 如丙烯醛C=O双键的选择性加氢, 苯的低温加氢, 以及乙炔的选择性加氢等反应中的应用. 最后, 讨论了利用金属碳化物代替贵金属Pt以减少双金属催化剂中Pt用量的可能性.     

低温加氢催化剂的设计: 理论与实践

简要总结了我们在C=C及C=O双键低温加氢双金属催化剂方面的最新研究成果. 首先, 我们以环己烯加氢为探针反应, 证明了平行使用多种研究手段的重要性, 包括单晶表面的基础研究与DFT计算, 多晶表面的合成与表征, 负载型催化剂的制备与性能测试等. 其次, 总结了双金属催化剂在其他加氢反应, 如丙烯醛C=O双键的选择性加氢, 苯的低温加氢, 以及乙炔的选择性加氢等反应中的应用. 最后, 讨论了利用金属碳化物代替贵金属Pt以减少双金属催化剂中Pt用量的可能性.     

低温加氢催化剂的设计: 理论与实践

简要总结了我们在C=C及C=O双键低温加氢双金属催化剂方面的最新研究成果. 首先, 我们以环己烯加氢为探针反应, 证明了平行使用多种研究手段的重要性, 包括单晶表面的基础研究与DFT计算, 多晶表面的合成与表征, 负载型催化剂的制备与性能测试等. 其次, 总结了双金属催化剂在其他加氢反应, 如丙烯醛C=O双键的选择性加氢, 苯的低温加氢, 以及乙炔的选择性加氢等反应中的应用. 最后, 讨论了利用金属碳化物代替贵金属Pt以减少双金属催化剂中Pt用量的可能性.