金属酸化物と錯体界面におけるメタンの低温活性化。表面科学からの洞察

Low Temperature Activation of Methane on Metal-Oxides and Complex Interfaces: Insights from Surface Science.

• Sanjaya D Senanayake
• José A Rodriguez
• Jason F Weaver

抄録

考察安価な天然ガスの豊富さは、エネルギー環境を一変させ、それによって持続可能な化学技術の新たな可能性を明らかにしたり、従来の化石燃料に依存していたものに影響を与えたりしている。主な成分であるメタンは、十分に利用されず、無駄に排出されており、人為的な地球温暖化につながっている。歴史的にメタンの操作は、克服不可能ではあるが、やりがいのある課題であり、それゆえに激しい研究の焦点となってきた。これは、メタン中のC-H結合を選択的に解離させることができないことが主な原因であるが、これには高いエネルギーペナルティが必要であり、メタンを多くの付加価値製品に直接変換するための必須条件となっている。このようなプロセスが発見されれば、C1化学に関連するいくつかの重要な化学プロセスに利益をもたらし、天然ガスのエネルギー利潤の高い利用が約束されます。メタン分子のこの最初のC-H結合解離ステップは、付加価値製品に見られるC-C、C-O、またはC-H-O結合の生成に続くすべてのステップのレートを決定するステップまたは最も重要なバリアシーケンスとして、多くの触媒機構に現れます。主な目標は、最初の C-H 結合解離のエネルギー障壁を触媒的に低下させ、低温または中程度の温度でメタンの活性化を達成できるようにすることです。このように、結合の切断や形成に関与する活性部位の基本的な性質を理解し、この化学をより良く制御することで、燃料生産や化学変換のための新技術の開発につながる大きな価値があります。表面科学の研究は、触媒表面の最終層原子上の結合を慎重に操作するための展望を提供します。新しい表面イメージング、分光法、ツールの出現により、複雑な材料システムの表面化学を解読し、金属、酸化物、炭化物の表面、または金属酸化物と金属炭化物の界面にある原子活性部位の理解を深めることが可能になりました。かつては不可能に近いと考えられていたC-H結合活性化のステップが、今では低温で、従来のまたは逆の構成（金属上の酸化物または炭化物）の酸化物、金属酸化物、および金属-炭化物系の集合体上で高い確率で観察されるようになりました。低温でのC-H活性化が可能になったことで、メタンからメタノールなどの化学物質を直接製造することが可能になり、液体燃料の合成を容易にする一歩となった。本研究では、これらの最新の成果を紹介するとともに、触媒構造中に存在する原子の最後の表面層を注意深く操作することで、このような単純な反応性イベントを可能にする表面科学の研究から設計された活性サイト構成の重要な側面を紹介する。また、メタンの活性化と変換に役立つ新しい概念についても議論する。

ConspectusThe abundance of cheap, natural gas has transformed the energy landscape, whereby revealing new possibilities for sustainable chemical technologies or impacting those that have relied on traditional fossil fuels. The primary component, methane, is underutilized and wastefully exhausted, leading to anthropogenic global warming. Historically, the manipulation of methane remained "," an insurmountable yet rewarding challenge and thus the focus of intense research. This is primarily due to an inability to dissociate C-H bonds in methane selectively, which requires a high energy penalty and is an essential prerequisite for the direct conversion of methane into a large set of value-added products. The discovery of such processes would promise an energy gainful use of natural gas benefiting several essential chemical processes associated with C1 chemistry. This first C-H bond dissociation step of the methane molecule appears in numerous catalytic mechanisms as the rate-determining step or most essential barrier sequence for all subsequent steps that follow in the production of C-C, C-O, or C-H-O bonds found in value added products. A main goal is to catalytically reduce the energy barrier for the first C-H bond dissociation to be able to achieve the activation of methane at low or moderate temperatures. As such there is great value in understanding the fundamental nature of the active sites responsible for bond breaking or formation and thus be able to facilitate better control of this chemistry, leading to the development of new technologies for fuel production and chemical conversion. Surface science studies offer enhanced perspectives for a careful manipulation of bonds over the last layer atoms of catalyst surfaces, an essential factor for the design of atomically precise catalysts and unravelling of the reaction mechanism. With the advent of new surface imaging, spectroscopy, and tools, it has been possible to decipher the surface chemistry of complex materials systems and further our understanding of atomic active sites on the surfaces of metals, oxides, and carbides or metal-oxide and metal-carbide interfaces. The once considered near impossible step of C-H bond activation is now observed at low temperatures with high propensity over a collection of oxide, metal-oxide, and metal-carbide systems in a conventional or inverse configuration (oxide or carbide on metal). The enabling of C-H activation at low temperature has opened interesting possibilities for the specific production of chemicals such as methanol directly from methane, a step toward facile synthesis of liquid fuels. We highlight the most recent of these results and present the key aspects of active site configurations engineered from surface science studies which enable such a simple reactive event through careful manipulation of the last surface layer of atoms found in the catalyst structure. New concepts which help in the activation and conversion of methane are discussed.