Thermal C–O coupling reactions of Ta methylene clusters [Ta_nCH₂]⁺ (n = 1, 4) with O₂

Abstract

Cationic tantalum carbenes [TaCH2]+ and [Ta4CH2]+, products of methane dehydrogenation, are reacted with dioxygen in an ion trap. Detected products suggest a formation of value-added molecules originating from C–O coupling reactions.

Conversion of CH4 Catalyzed by Gas Phase Ions Containing Metals

“…While gas phase ions containing noble metals have good activity toward coupling of CH 4 molecules, researchers have also paid attention to ions containing non‐noble metals to find active species exhibiting comparable performance with noble metal systems. The reactions of positively charged bare tantalum clusters Ta n + ( n =1‐10) and oxygen deficient Ta n O m + ( m =1 and 2) clusters with CH 4 have been systematically investigated by a cryogenic ring electrode ion trap [12k,35,45,52] . It was found that the Ta 8 O 2 + cluster has the ability to catalyze the C−C coupling of two CH 4 to generate C 2 H 6 [35] .…”

Carbide Dihydrides: Carbonaceous Species Identified in Ta4+‐Mediated Methane Dehydrogenation

“…For example, infrared multiple photon dissociation (IRMPD) spectroscopy showed that methane dehydrogenation mediated by atomic transition metal cations usually results in carbene structures, including TaCH 2 + for the Ta + ion [9] . (iii) Interestingly, the [4Ta,C,2H] + species was also found to be very reactive towards O 2 , yielding value‐added products attributed to syngas and/or formaldehyde with a selectivity of >50 % [10] …”

“…[9] (iii)Interestingly,t he [4Ta,C,2H] + species was also found to be very reactive towards O 2 ,yielding value-added products attributed to syngas and/or formaldehyde with as electivity of > 50 %. [10] Given these findings it is imperative to know the exact structure of the [4Ta,C,2H] + product. Forthis,weemploy the combination of IRMPD spectroscopy and first-principles quantum calculations.T his combination of experimental and theoretical methodologies has emerged in the past two decades as apowerful tool for the elucidation of the structures of mass-selected metal ions and clusters.…”

Carbid‐Dihydride: kohlenstoffhaltige Spezies identifiziert in der Ta4+‐vermittelten Methandehydrierung

“…So konnte beispielsweise mittels Infrarot Multipler‐Photonendissoziationsspektroskopie (IRMPD) gezeigt werden, dass die Methandehydrierung, welche von kationischen Übergangsmetallatomen vermittelt wird, üblicherweise mit der Bildung von Carbenstrukturen einhergeht, einschließlich von TaCH 2 + für das Ta + Ion [9] . (iii) Interessanterweise wurde auch beobachtet, dass die [4Ta,C,2H] + Spezies eine hohe Reaktivität gegenüber O 2 aufweist und Produkte mit gesteigerter Wertschöpfung, welche Synthesegas und/oder Formaldehyd zugeschrieben werden können, mit einer Selektivität von >50 % resultieren können [10] …”

“…[9] (iii) Interessanterweise wurde auch beobachtet, dass die [4Ta,C,2H] + Spezies eine hohe Reaktivität gegenüber O 2 aufweist und Produkte mit gesteigerter Wertschçpfung, welche Synthesegas und/ oder Formaldehyd zugeschrieben werden kçnnen, mit einer Selektivität von > 50 % resultieren kçnnen. [10] Angesichts dieser Erkenntnisse ist es unabdingbar, die exakte Struktur des Produktes [4Ta,C,2H] + zu kennen. Um dies zu ermçglichen wenden wir eine Kombination auf IRMPD Spektroskopie und auf dem Grundbegriff basierende Quantenrechnungen an.…”