Experimental and theoretical study of the reactions between neutral vanadium oxide clusters and ethane, ethylene, and acetylene

Reactions of neutral vanadium oxide clusters with small hydrocarbons, namely C2H6, C2H4, and C2H2, are investigated by experiment and density functional theory (DFT) calculations. Single photon ionization through extreme ultraviolet (EUV, 46.9 nm, 26.5 eV) and vacuum ultraviolet (VUV, 118 nm, 10.5 eV) lasers is used to detect neutral cluster distributions and reaction products. The most stable vanadium oxide clusters VO2, V2O5, V3O7, V4O10, etc. tend to associate with C2H4 generating products V(m)O(n)C2H4. Oxygen-rich clusters VO3(V2O5)(n=0,1,2...), (e.g., VO3, V3O8, and V5O13) react with C2H4 molecules to cause a cleavage of the C=C bond of C2H4 to produce (V2O5)(n)VO2CH2 clusters. For the reactions of vanadium oxide clusters (V(m)O(n)) with C2H2 molecules, V(m)O(n)C2H2 are assigned as the major products of the association reactions. Additionally, a dehydration reaction for VO3 + C2H2 to produce VO2C2 is also identified. C2H6 molecules are quite stable toward reaction with neutral vanadium oxide clusters. Density functional theory calculations are employed to investigate association reactions for V2O5 + C2H(x). The observed relative reactivity of C2 hydrocarbons toward neutral vanadium oxide clusters is well interpreted by using the DFT calculated binding energies. DFT calculations of the pathways for VO3+C2H4 and VO3+C2H2 reaction systems indicate that the reactions VO3+C2H4 --> VO2CH2 + H2CO and VO3+C2H2 --> VO2C2 + H2O are thermodynamically favorable and overall barrierless at room temperature, in good agreement with the experimental observations.     

Formation, detection, and stability studies of neutral vanadium sulfide clusters

Neutral vanadium sulfide clusters are generated by the reaction of seeded hydrogen sulfide in a helium carrier gas with laser ablated vanadium metal within a supersonic nozzle. The exiting clusters are expanded into a vacuum in a molecular beam and are ionized by both ultraviolet (UV) and vacuum UV (VUV) laser radiation. The generated ions are detected by a time of flight mass spectrometer. With single photon ionization (SPI) employing VUV (118 nm) radiation, sulfur rich clusters (V(m)S(n), n>m+1) and hydrogen containing clusters (V(m)S(n)H(x), x>0) are observed. With multiphoton ionization (MPI) through nanosecond UV (193 nm) radiation, these sulfur rich and hydrogen containing clusters cannot be observed, indicating severe fragmentation generated by MPI and the importance of SPI in determining the neutral vanadium sulfide cluster distribution. With MPI through femtosecond UV (226 nm) radiation, a few sulfur rich and hydrogen containing clusters are detected, but most clusters observed by SPI are still undetected even by femtosecond MPI. Density functional theory calculations are applied to optimize energies and structures of the clusters with m=1-3 and n=0-7. The experimental results are well interpreted based on the calculations. The calculated and experimental results for vanadium sulfides are compared with those of vanadium oxides in literature.     

Reaction of Cationic Vanadium Oxide Clusters with Ethylene in a Flow Tube Reactor

A time of °ight mass spectrometer coupled with a cluster formation and reaction source is employed to study the reactivity of cationic vanadium oxide clusters (VmOn+) toward ethylene (C2H4) in the gas phase. The cationic vanadium oxide clusters with m=1-10 and n=1-26 (depending on m) are generated by reaction of laser ablation created vanadium plasma with O2 in a supersonic expansion and then reacted with the ethylene in a °ow tube reactor. Hydrogen atoms are attached in most of the oxygen saturated clusters(2n?5m) in our experimental condition. The reactivity of VmOn+ toward C2H4 is usually higher than that of hydrogen containing clusters, VmOnH2x+. Larger clusters show less reactivity than smaller ones. Most of the observed products are in the forms of VmOnC2H4+ and VmOnH2xC2H4+ due to direct association. C2H4 clustering products ((C2H4)n+, n=2-6) are also observed.     

Formation and distribution of neutral vanadium, niobium, and tantalum oxide clusters: single photon ionization at 26.5 eV

Neutral vanadium, niobium, and tantalum oxide clusters are studied by single photon ionization employing a 26.5 eV/photon soft x-ray laser. During the ionization process the metal oxide clusters are almost free of fragmentation. The most stable neutral clusters of vanadium, niobium, and tantalum oxides are of the general form (MO2)0,1(M2O5)y. M2O5 is identified as a basic building unit for these three neutral metal oxide species. Each cluster family (Mm, m=1,...,9) displays at least one oxygen deficient and/or oxygen rich cluster stoichiometry in addition to the above most stable species. For tantalum and niobium families with even m, oxygen deficient clusters have the general formula (MO2)2(M2O5)y. For vanadium oxide clusters, oxygen deficient clusters are detected for all cluster families Vm (m=1,[ellipsis (horizontal)],9), with stable structures (VO2)x(V2O5)y. Oxygen rich metal oxide clusters with high ionization energies (IE>10.5 eV, 118 nm photon) are detected with general formulas expressed as (MO2)2 (M2O5)y O1,2,3. Oxygen rich clusters, in general, have up to three attached hydrogen atoms, such as VO3H1,2, V2O5H1,2, Nb2O5H1,2, etc.     

Experimental and theoretical studies of reactions of neutral vanadium and tantalum oxide clusters with NO and NH3

Reactions of neutral vanadium and tantalum oxide clusters with NO, NH(3), and an NO/NH(3) mixture in a fast flow reactor are investigated by time of flight mass spectrometry and density functional theory (DFT) calculations. Single photon ionization through a 46.9 nm (26.5 eV) extreme ultraviolet (EUV) laser is employed to detect both neutral cluster distributions and reaction products. Association products VO(3)NO and V(2)O(5)NO are detected for V(m)O(n) clusters reacting with pure NO, and reaction products, TaO(3,4)(NO)(1,2), Ta(2)O(5)NO, Ta(2)O(6)(NO)(1-3), and Ta(3)O(8)(NO)(1,2) are generated for Ta(m)O(n) clusters reacting with NO. In both instances, oxygen-rich clusters are the active metal oxide species for the reaction M(m)O(n)+NO→M(m)O(n)(NO)(x). Both V(m)O(n) and Ta(m)O(n) cluster systems are very active with NH(3). The main products of the reactions with NH(3) result from the adsorption of one or two NH(3) molecules on the respective clusters. A gas mixture of NO:NH(3) (9:1) is also added into the fast flow reactor: the V(m)O(n) cluster system forms stable, observable clusters with only NH(3) and no V(m)O(n)(NO)(x)(NH(3))(y) species are detected; the Ta(m)O(n) cluster system forms stable, observable mixed clusters, Ta(m)O(n)(NO)(x)(NH(3))(y), as well as Ta(m)O(n)(NO)(x) and Ta(m)O(n)(NH(3))(y) individual clusters, under similar conditions. The mechanisms for the reactions of neutral V(m)O(n) and Ta(m)O(n) clusters with NO/NH(3) are explored via DFT calculations. Ta(m)O(n) clusters form stable complexes based on the coadsorption of NO and NH(3). V(m)O(n) clusters form weakly bound complexes following the reaction pathway toward end products N(2)+H(2)O without barrier. The calculations give an interpretation of the experimental data that is consistent with the condensed phase reactivity of V(m)O(n) catalyst and suggest the formation of intermediates in the catalytic chemistry.     

First-principles local density approximation (generalized gradient approximation) +U study of catalytic CenOm clusters: U value differs from bulk

Ceria possesses strong catalytic properties for CONO(x) removal and H(2) production. Clusters often show more intriguing functionalities than their bulk counterparts. Here, the geometric and electronic structures of Ce(n)O(m) (n=1-4,m=2n-1,2n) clusters are studied for the first time using the projected augmented wave method in density functional theory with detailed assessment of the exchange-correlation functional and the Hubbard parameter U. We note that the U value strongly affects the electronic structures of the oxygen-deficient Ce(n)O(2n-1) clusters, though less so on the stoichiometric Ce(n)O(2n). Furthermore, the local density approximation (LDA)+U method is more accurate than the generalized gradient approximation+U in describing the localization of the 4f electrons of the Ce(n)O(m) clusters. The calculated vibration frequency of the CeO molecule with the LDA+U (U=4 eV) is 818.4 cm(-1), in close agreement with experimental values of 820-825 cm(-1) for the low lying states. Different optimal U values were noted for the ceria cluster (4 eV) and its bulk (6 eV), due to quantum-size and geometric effects. The largely reduced formation energy of an oxygen vacancy indicates that the catalytic effect of the Ce(n)O(m) clusters are far greater than bulk CeO(2).     

Reactivity Control of CH Bond Activation over Vanadium-Silver Bimetallic Oxide Cluster Cations

Vanadium-silver bimetallic oxide cluster ions (V(x) Ag(y) O(z) (+) ; x=1-4, y=1-4, z=3-11) are produced by laser ablation and reacted with ethane in a fast-flow reactor. A reflectron time of flight (Re-TOF) mass spectrometer is used to detect the cluster distribution before and after the reactions. Hydrogen atom abstraction (HAA) reactions are identified over VAgO(3) (+) , V(2) Ag(2) O(6) (+) , V(2) Ag(4) O(7) (+) , V(3) AgO(8) (+) , V(3) Ag(3) O(9) (+) , and V(4) Ag(2) O(11) (+) ions, in which the oxygen-centered radicals terminally bonded on V atoms are active sites for the facile HAA reactions. DFT calculations are performed to study the structures, bonding, and reactivity. The reaction mechanisms of V(2) Ag(2) O(6) (+) +C(2) H(6) are also given. The doped Ag atoms with a valence state of +1 are highly dispersed at the periphery of the V(x) Ag(y) O(z) (+) cluster ions. The reactivity can be well-tuned gradually by controlling the number of Ag atoms. The steric protection due to the peripherally bonded Ag atoms greatly enhances the selectivity of the V-Ag bimetallic oxide clusters with respect to the corresponding pure vanadium oxide systems.     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理, 人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究. 相比于过渡金属氧化物团簇阳离子, 阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多, 因此研究还很少. 在本工作中, 我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy, 产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6) 在一个快速流动反应管中进行反应, 飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布. 在VxOy与烷烃的反应中, 生成了产物V2O6H-和V4O11H-; 在与烯烃的反应中, 产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6). 密度泛函理论计算表明: V2O-6和V4O-11可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C—H键, 也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-), C—H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒. 理论计算与实验观测结果相符合. V2O-6和V4O-11团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征, 活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面, 因而本研究在分子水平上, 揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理, 人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究. 相比于过渡金属氧化物团簇阳离子, 阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多, 因此研究还很少. 在本工作中, 我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy, 产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6) 在一个快速流动反应管中进行反应, 飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布. 在VxOy与烷烃的反应中, 生成了产物V2O6H-和V4O11H-; 在与烯烃的反应中, 产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6). 密度泛函理论计算表明: V2O-6和V4O-11可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C—H键, 也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-), C—H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒. 理论计算与实验观测结果相符合. V2O-6和V4O-11团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征, 活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面, 因而本研究在分子水平上, 揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理, 人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究. 相比于过渡金属氧化物团簇阳离子, 阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多, 因此研究还很少. 在本工作中, 我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy, 产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6) 在一个快速流动反应管中进行反应, 飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布. 在VxOy与烷烃的反应中, 生成了产物V2O6H-和V4O11H-; 在与烯烃的反应中, 产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6). 密度泛函理论计算表明: V2O-6和V4O-11可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C—H键, 也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-), C—H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒. 理论计算与实验观测结果相符合. V2O-6和V4O-11团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征, 活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面, 因而本研究在分子水平上, 揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理, 人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究. 相比于过渡金属氧化物团簇阳离子, 阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多, 因此研究还很少. 在本工作中, 我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy, 产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6) 在一个快速流动反应管中进行反应, 飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布. 在VxOy与烷烃的反应中, 生成了产物V2O6H-和V4O11H-; 在与烯烃的反应中, 产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6). 密度泛函理论计算表明: V2O-6和V4O-11可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C—H键, 也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-), C—H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒. 理论计算与实验观测结果相符合. V2O-6和V4O-11团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征, 活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面, 因而本研究在分子水平上, 揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理, 人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究. 相比于过渡金属氧化物团簇阳离子, 阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多, 因此研究还很少. 在本工作中, 我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy, 产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6) 在一个快速流动反应管中进行反应, 飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布. 在VxOy与烷烃的反应中, 生成了产物V2O6H-和V4O11H-; 在与烯烃的反应中, 产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6). 密度泛函理论计算表明: V2O-6和V4O-11可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C—H键, 也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-), C—H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒. 理论计算与实验观测结果相符合. V2O-6和V4O-11团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征, 活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面, 因而本研究在分子水平上, 揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理, 人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究. 相比于过渡金属氧化物团簇阳离子, 阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多, 因此研究还很少. 在本工作中, 我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy, 产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6) 在一个快速流动反应管中进行反应, 飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布. 在VxOy与烷烃的反应中, 生成了产物V2O6H-和V4O11H-; 在与烯烃的反应中, 产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6). 密度泛函理论计算表明: V2O-6和V4O-11可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C—H键, 也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-), C—H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒. 理论计算与实验观测结果相符合. V2O-6和V4O-11团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征, 活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面, 因而本研究在分子水平上, 揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理, 人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究. 相比于过渡金属氧化物团簇阳离子, 阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多, 因此研究还很少. 在本工作中, 我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy, 产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6) 在一个快速流动反应管中进行反应, 飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布. 在VxOy与烷烃的反应中, 生成了产物V2O6H-和V4O11H-; 在与烯烃的反应中, 产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6). 密度泛函理论计算表明: V2O-6和V4O-11可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C—H键, 也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-), C—H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒. 理论计算与实验观测结果相符合. V2O-6和V4O-11团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征, 活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面, 因而本研究在分子水平上, 揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理, 人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究. 相比于过渡金属氧化物团簇阳离子, 阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多, 因此研究还很少. 在本工作中, 我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy, 产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6) 在一个快速流动反应管中进行反应, 飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布. 在VxOy与烷烃的反应中, 生成了产物V2O6H-和V4O11H-; 在与烯烃的反应中, 产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6). 密度泛函理论计算表明: V2O-6和V4O-11可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C—H键, 也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-), C—H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒. 理论计算与实验观测结果相符合. V2O-6和V4O-11团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征, 活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面, 因而本研究在分子水平上, 揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理, 人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究. 相比于过渡金属氧化物团簇阳离子, 阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多, 因此研究还很少. 在本工作中, 我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy, 产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6) 在一个快速流动反应管中进行反应, 飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布. 在VxOy与烷烃的反应中, 生成了产物V2O6H-和V4O11H-; 在与烯烃的反应中, 产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6). 密度泛函理论计算表明: V2O-6和V4O-11可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C—H键, 也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-), C—H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒. 理论计算与实验观测结果相符合. V2O-6和V4O-11团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征, 活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面, 因而本研究在分子水平上, 揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理, 人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究. 相比于过渡金属氧化物团簇阳离子, 阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多, 因此研究还很少. 在本工作中, 我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy, 产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6) 在一个快速流动反应管中进行反应, 飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布. 在VxOy与烷烃的反应中, 生成了产物V2O6H-和V4O11H-; 在与烯烃的反应中, 产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6). 密度泛函理论计算表明: V2O-6和V4O-11可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C—H键, 也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-), C—H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒. 理论计算与实验观测结果相符合. V2O-6和V4O-11团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征, 活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面, 因而本研究在分子水平上, 揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理, 人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究. 相比于过渡金属氧化物团簇阳离子, 阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多, 因此研究还很少. 在本工作中, 我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy, 产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6) 在一个快速流动反应管中进行反应, 飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布. 在VxOy与烷烃的反应中, 生成了产物V2O6H-和V4O11H-; 在与烯烃的反应中, 产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6). 密度泛函理论计算表明: V2O-6和V4O-11可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C—H键, 也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-), C—H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒. 理论计算与实验观测结果相符合. V2O-6和V4O-11团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征, 活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面, 因而本研究在分子水平上, 揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理, 人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究. 相比于过渡金属氧化物团簇阳离子, 阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多, 因此研究还很少. 在本工作中, 我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy, 产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6) 在一个快速流动反应管中进行反应, 飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布. 在VxOy与烷烃的反应中, 生成了产物V2O6H-和V4O11H-; 在与烯烃的反应中, 产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6). 密度泛函理论计算表明: V2O-6和V4O-11可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C—H键, 也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-), C—H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒. 理论计算与实验观测结果相符合. V2O-6和V4O-11团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征, 活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面, 因而本研究在分子水平上, 揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.     

钒氧阴离子团簇与小分子碳氢化合物反应的实验和理论研究

为了在分子层次上揭示相关催化反应的机理, 人们对过渡金属氧化物团簇与碳氢化合物分子反应进行了大量研究. 相比于过渡金属氧化物团簇阳离子, 阴离子对一些碳氢化合物的活性弱得多, 因此研究还很少. 在本工作中, 我们通过激光溅射产生钒氧团簇阴离子VxOy, 产生的团簇在接近热碰撞条件下与烷烃(C2H6和C4H10)以及烯烃(C2H4和C3H6) 在一个快速流动反应管中进行反应, 飞行时间质谱用来检测反应前后的团簇分布. 在VxOy与烷烃的反应中, 生成了产物V2O6H-和V4O11H-; 在与烯烃的反应中, 产生了相应的吸附产物V4O11X-(X=C2H4或C3H6). 密度泛函理论计算表明: V2O-6和V4O-11可以活化烷烃(C2H6和C4H10)的C—H键, 也可以与烯烃(C2H4和C3H6)发生3+2环化加成反应形成一个五元环结构(-V-O-C-C-O-), C—H键活化与环加成反应都需经历可以克服的反应能垒. 理论计算与实验观测结果相符合. V2O-6和V4O-11团簇都具有氧原子自由基(O·或O-)的成键特征, 活性O-物种也经常出现在钒氧催化剂表面, 因而本研究在分子水平上, 揭示了表面活性氧物种与碳氢化合物反应的机理.