Квантовохімічне моделювання процесу диспергування MoO3 на гидроксильованій поверхні SiO2

  • Д. Б. Насєдкін Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0001-5140-8506
  • М.О. Назарчук Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • А. Г. Гребенюк Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України https://orcid.org/0000-0003-1345-5146
  • Л. Ф. Шаранда Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
  • Ю. В. Плюто Інститут хімії поверхні ім. О.О.Чуйка Національної академії наук України
DOI: https://doi.org/10.15407/Surface.2021.13.075
Ключові слова: кремнезем, триоксид молібдену, термічно ініційоване диспергування, термічне розповсюдження, нанесені гетерогенні каталізатори, квантовохімічні розрахунки

Анотація

Метою даної роботи є оцінка енергетичної сприятливості утворення різних молібдатних груп (≡Si‑O‑)2Mo(=O)2 та =Si(‑O‑)2Mo(=O)2 під час термічно ініційованого диспергування MoO3 на гідроксильованій поверхні SiO2. Для цього було здійснено квантовохімічне моделювання реакції O12Si10(OH)16 + MoO3 = O12Si10(OH)14O2MoO2 + H2O в температурному інтервалі 300–1100 K із використанням обмеженого методу Хартрі-Фока (наближення ЛКАО) з валентним базисом SBKJC (Stevens-Basch-Krauss-Jasien-Cundari). Кластер O12Si10(OH)16, який являє собою структурний фрагмент кристала β‑кристобаліту, був використаний як модель високогідроксильованої поверхні кремнезему.

Ми розглянули дві структури молібдатних груп (≡Si‑O‑)2Mo(=O)2, прикріплених до кремнеземного кластера O12Si10(OH)16 через силанольні групи. Молібдатні групи (Etot ‑584.60147 Hartree), прикріплені до кремнеземного кластера через віддалені силанольні групи, виявляються більш енергетично вигідними, ніж молібдатні групи (Etot ‑584.56565 Hartree), прикріплені до кремнеземного кластера через сусідні силанольні групи. Енергія молібдатних груп =Si(‑O‑)2Mo(=O)2 (Etot ‑584.48399 Hartree), прикріплених до кремнеземного кластера O12Si10(OH)16 через силандіольні групи, менш енергетично вигідні в порівнянні з подібними групами, прикріпленими через силанольні групи, через більше напруження кута між зв’язками.

Знайдено, що реакція O12Si10(OH)16 + MoO3 = O12Si10(OH)14O2MoO2 + H2O в температурному інтервалі 300–1100 K, змодельована шляхом квантовохімічних розрахунків, свідчить, що процес диспергування MoO3 на гідроксильованій поверхні SiO2 є енергетично вигідним. Експериментальна оптимальна температура (близько 800 K), потрібна для диспергування MoO3 на гідроксильованій поверхні SiO2, визначається випаровуванням та перенесенням MoO3 в газовій фазі.

Посилання

1. Pampararo G., Garbarino G., Ardoino N., Riani P., Busca G. A study of molybdena catalysts in ethanol oxidation. Part 1. Unsupported and silica-supported MoO3. Chemical Technology and Biotechnology. 2021. 96(12): 3293. https://doi.org/10.1002/jctb.6877

2. Li L., Scott S.L. X ray Absorption Spectroscopy Investigation into the Origins of Heterogeneity in Silica-Supported Dioxomonomolybdates. J. Phys. Chem. C. 2021. 125(42): 23115. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c05559 https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.1c05559

3. Amakawa K., Wang Y., Kröhnert J., Schlögl R., Trunschke A. Acid sites on silica-supported molybdenum oxides probed by ammonia adsorption: Experiment and theory. Molecular Catalysis. 2019. 478: 110580. https://doi.org/10.1016/j.mcat.2019.110580

4. Wang Zh. M., Liu L. J., Xiang B., Wang Y., Lyu Y. J., Qi T., Si Zh. B., Yang H. Q. Hu Ch. W. The design and catalytic performance of molybdenum active sites on an MCM 41 framework for the aerobic oxidation of 5 hydroxymethylfurfural to 2,5 diformylfuran. Catal. Sci. Technol. 2019. 9(3): 811.https://doi.org/10.1039/C8CY02291G

5. Guo C.S., Hermann K., Hävecker M., Thielemann J.P., Kube P., Gregoriades L.J., Trunschke A., Sauer J., Schlögl R. Structural Analysis of Silica-Supported Molybdena Based on X ray Spectroscopy: Quantum Theory and Experiment. J. Phys. Chem. C. 2011. 115(31): 15449. https://doi.org/10.1021/jp2034642

6. Handzlik J., Kurleto K., Gierada M. Computational Insights into Active Site Formation during Alkene Metathesis over a MoOx/SiO2 Catalyst: The Role of Surface Silanols. ACS Catal. 2021. 11: 13575. https://doi.org/10.1021/acscatal.1c03912

7. Kurleto K., Tielens F., Handzlik J. Isolated Molybdenum(VI) and Tungsten(VI) Oxide Species on Partly Dehydroxylated Silica: A Computational Perspective. J. Phys. Chem. C. 2020. 124(5), 3002. https://doi.org/10.1021/acs.jpcc.9b09586

8. Fierro J.L.G., Mol J.C. Metathesis of Olefins on Metal Oxides. In: Metal Oxides: Chemistry and Applications (Boca Raton: CRC Press, 2006), pp 517-541. https://doi.org/10.1201/9781420028126.ch16

9. Bañares M.A., Mestl G. Chapter 2 Structural Characterization of Operating Catalysts by Raman Spectroscopy. Advances in Catalysis. 2009. 52: 43. https://doi.org/10.1016/S0360-0564(08)00002-3

10. Lwin S., Wachs I.E. Olefin Metathesis by Supported Metal Oxide Catalysts. ACS Catal. 2014. 4(8): 2505. https://doi.org/10.1021/cs500528h

11. Knözinger H., Taglauer E. 2.4.7 Spreading and Wetting. In: Handbook of Heterogeneous Catalysis (Weinheim: Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KgaA, 2008), pp 555-571. https://doi.org/10.1002/9783527610044.hetcat0027

12. Braun S., Appel L.G., Camorim V.L., Schmal M. Thermal Spreading of MoO3 onto Silica Supports. J. Phys. Chem. B. 2000. 104(28): 6584. https://doi.org/10.1021/jp000287m

13. Braun S., Appel L.G., Schmal M. Molybdenum species on alumina and silica supports for soot combustion. Catalysis Communications. 2005. 6(1): 7. https://doi.org/10.1016/j.catcom.2004.10.002

14. Shi W., Cai X., Wei J., Ma J., Hu T., Wu N., Xie Y. EXAFS study of molybdenum oxide on the structure Al2O3. Surf. Interface Anal. 2001. 32(1): 202. https://doi.org/10.1002/sia.1037

15. Mosqueira L., Fuentes G.A. Molecular selection of MoOx species during migration on Al2O3 and zeolites Y and ZSM 5. Molecular Physics. 2002. 100(19): 3055. https://doi.org/10.1080/00268970210130173

16. Mosqueira L., Gomez S.A., Fuentes G.A. Characterization of MoOx species on γ Al2O3, Y and ZSM 5 zeolites during thermally activated solid-solid synthesis. J. Phys.: Condens. Matter. 2004. 16(2): S2319. https://doi.org/10.1088/0953-8984/16/22/034

17. Debecker D.P., Stoyanova M., Rodemerck U., Eloy P., Léonard A., Su B. L., Gaigneaux E.M. Thermal Spreading as an Alternative for the Wet Impregnation Method: Advantages and Downsides in the Preparation of MoO3/SiO2−Al2O3 Metathesis Catalysts. J. Phys. Chem. C. 2010. 114(43): 18664. https://doi.org/10.1021/jp1074994

18. Debecker D.P., Stoyanova M., Rodemerck U., Gaigneaux E.M. Facile preparation of MoO3/SiO2 Al2O3 olefin metathesis catalysts by thermal spreading. In: Studies in Surface Science and Catalysis. 175. Proc. 10th Int. Symp. (July 11-15, 2010, Louvain-la-Neuve, Belgium), pp 581-585. https://doi.org/10.1016/S0167-2991(10)75113-2

19. Li Zh., Gao L., Zheng Sh. Investigation of the dispersion of MoO3 onto the support of mesoporous silica MCM 41. Applied Catalysis A: General. 2002. 236(1-2): 163. https://doi.org/10.1016/S0926-860X(02)00302-2

20. Li Zh., Gao L., Zheng Sh. SEM, XPS, and FTIR studies of MoO3 dispersion on mesoporous silicate MCM 41 by calcination. Materials Letters. 2003. 57(29): 4605. https://doi.org/10.1016/S0167-577X(03)00369-0

21. Sampieri A., Pronier S., Blanchard J., Breysse M., Brunet S., Fajerwerg K., Louis C., Pérot G. Hydrodesulfurization of dibenzothiophene on MoS2/MCM 41 and MoS2/SBA 15 catalysts prepared by thermal spreading of MoO3. Catalysis Today. 2005. 107-108: 537. https://doi.org/10.1016/j.cattod.2005.07.069

22. Mosqueira L., Angeles Chavez C., Torres García E. Thermal spreading of MoO3 in H-ZY. Materials Chemistry and Physics. 2011. 126(3): 930. https://doi.org/10.1016/j.matchemphys.2010.12.006

23. Balcar H., Kubů M., Žilková N., Shamzhy M. MoO3 on zeolites MCM 22, MCM 56 and 2D MFI as catalysts for 1 octene metathesis. Beilstein J. Org. Chem. 2018. 14: 2931. https://doi.org/10.3762/bjoc.14.272

24. Balcar H., Topka P., Žilková N., Pérez Pariente J., Čejka J. Metathesis of linear α olefins with MoO3 supported on MCM 41 catalyst. Studies in Surface Science and Catalysis. 2005. 156: 795. https://doi.org/10.1016/S0167-2991(05)80288-5

25. Balcar H., Cejka J. Mesoporous Molecular Sieves as Supports for Metathesis Catalysts. In: Imamoglu Y., Dragutan V., Karabulut S. (eds) Metathesis Chemistry. NATO Science Series. 243. Dordrecht: Springer, 2007), pp 151-166. https://doi.org/10.1007/978-1-4020-6091-5_9

26. Günther S., Gregoratti L., Kiskinova M., Taglauer E., Grotz P., Schubert U.A. Knözinger H. Transport mechanisms during spreading of MoO3 on Al2O3 supports investigated by photoelectron spectromicroscopy. The Journal of Chemical Physics. 2000. 112(12): 5440. https://doi.org/10.1063/1.481111

27. Günther S., Esch F., Gregoratti L., Barinov A., Kiskinova M., Taglauer E., Knözinger H. Gas-Phase Transport during the Spreading of MoO3 on Al2O3 Support Surfaces: Photoelectron Spectromicroscopic Study. J. Phys. Chem. B. 2004. 108(38): 14223. https://doi.org/10.1021/jp031333w

28. Xu W., Yan J., Wu N., Zhang H., Xie Y., Tang Y., Zhu Y., Yao W. Diffusing behavior of MoO3 on Al2O3 and SiO2 thin films. Surface Science. 2000. 470(1-2): 121. https://doi.org/10.1016/S0039-6028(00)00847-5

29. Xu W., Xu J., Wu N., Yan J., Zhu Y., Huang Y., He W., Xie Y. Study of the diffusion behaviour of MoO3 and ZnO on oxide thin films by SR TXRF. Surf. Interface Anal. 2001. 32(1): 301. https://doi.org/10.1002/sia.1060

30. Alex A. Granovsky, Firefly version 8. http://classic.chem.msu.su/gran/firefly/index.html.

31. Schmidt M.W., Baldridge K.K., Boatz J.A., Elbert S.T., Gordon M.S., Jensen J.H., Koseki S., Matsunaga N., Nguyen K.A., Su S., Windus T.L., Dupuis M., Montgomery J.A. General atomic and molecular electronic structure system. J.Comput.Chem. 1993. 14(11): 1347. https://doi.org/10.1002/jcc.540141112

32. Khavryutchenko V., Sheka E. Computer modeling of amorphous silica structures. React. Kinet. Catal. Lett. 1993. 50(1-2): 389. https://doi.org/10.1007/BF02062241

33. Khavryuchenko, V.D., Sheka, E.F. Computational modeling of amorphous silica. 2. Modeling the initial structures. Aerosil. Journal of Structural Chemistry. 1994. 35(3): 291. https://doi.org/10.1007/BF02578279

34. Bounechada D., Darmastuti Zh., Andersson M., Ojamäe L., Spetz A.L., Skoglundh M., Carlsson P.-A. Vibrational Study of SOx Adsorption on Pt/SiO2. J. Phys. Chem. C. 2014. 118(51): 29713. https://doi.org/10.1021/jp506644w

35. Qu R., Li C., Liu J., Xiao R., Pan X., Zeng X., Wang Z., Wu J. Hydroxyl Radical Based Photocatalytic Degradation of Halogenated Organic Contaminants and Paraffin on Silica Gel. Environ. Sci. Technol. 2018. 52(13): 7220. https://doi.org/10.1021/acs.est.8b00499

36. Peacor, D. Β. High-temperature single-crystal study of the cristobalite inversion. Zeitschrift für Kristallographie - Crystalline Materials. 1973. 138(1-6): 274. https://doi.org/10.1524/zkri.1973.138.jg.274

37. Wright A.F., Leadbetter A.J. The structures of the β cristobalite phases of SiO2 and AlPO4, The Philosophical Magazine. A Journal of Theoretical Experimental and Applied Physics. 1975. 31(6):1391. https://doi.org/10.1080/00318087508228690

38. Spiridonov V.P., Zasorin E.Z. Modern High-Temperature Electron Diffraction. In Characterization of High Temperature Vapors and Gases. Proc. 10th Materials Research Symposium at the National Bureau of Standards, (September 18-22, 1978, Gaithersburg, Maryland). NBS Special Publication 561, Vol 1. U.S. Dep. of Commerce, Nat. Bureau of Standards, 1979, pp 711-755. https://books.google.com.ua/books?id=OzpQ5yVtrxUC

39. J. Phys. Chem. Ref. Data, Monograph 9. NIST JANAF Thermochemical Tables. Part I and Part II. Fourth Edition (Chase M. W., Jr., Ed). National Institute of Standards and Technology, Gaithersburg, USA, 1998, p. 1593. https://srd.nist.gov /JPCRD/jpcrdM9.pdf

40. Papakondylis A., Sautet Ph. Ab Initio Study of the Structure of the α MoO3 Solid and Study of the Adsorption of H2O and CO Molecules on its (100). Surface. J. Phys. Chem. 1996. 100(25): 10681. https://doi.org/10.1021/jp953727w

41. Zhou M., Andrews L. Infrared spectra and density functional calculations of the CrO2-, MoO2-, and WO2- molecular anions in solid neon. The Journal of Chemical Physics. 1999. 111: 4230002E https://doi.org/10.1063/1.479721

Опубліковано
2021-11-28
Як цитувати
Насєдкін, Д. Б., Назарчук , М., Гребенюк , А. Г., Шаранда , Л. Ф., & Плюто, Ю. В. (2021). Квантовохімічне моделювання процесу диспергування MoO3 на гидроксильованій поверхні SiO2. Поверхня, (13(28), 75-83. https://doi.org/10.15407/Surface.2021.13.075
Номер
№ 13(28) (2021): Поверхня
Розділ
Теорія хімічної будови і реакційної здатності поверхні.

Положення про авторські права