Control in Local Coordination Environment Boosting Activating Molecular Oxygen with an Atomically Dispersed Binary Mn–Co Catalyst

催化作用 活性氧 氧气 超氧化物 激进的 协调数 化学 材料科学 光化学 离子 有机化学 生物化学
作者
Meiyun Zhang,Hong Ma,Xin Liu,Shujing Zhang,Yang Luo,Jin Gao,Jie Xu
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (16): 18539-18549 被引量:16
标识
DOI:10.1021/acsami.2c01858
摘要

Activation of molecular oxygen plays a crucial role in natural organisms and the modern chemical industry. Herein, we report a Mn-Co dual-single-atom catalyst that exerts a specific synergy in boosting O2 activation by collaboration between two distinct types of activation sites. Taking the oxidative esterification of the biomass platform 5-hydroxymethylfurfural (HMF) as the model reaction, the activation of O2 is demonstrated through transforming O2 into a reactive superoxide anion radical (O2•-) on Co-N4 sites and, meanwhile, by reversible consumption and supplement of coordinated surface oxygen as a new type of reactive oxygen species (ROS) on N,O-coordinated single-atom Mn sites (Mn-NxOy). EXAFS analysis results show a longer average Mn-O bond distance at near 2.19 Å, which makes the breaking and formation of surface Mn-O bonds easier to cycle. Control experiments support that such Mn-O bonding conditions could facilitate H-elimination of C-H in HMF. The co-existence of two types of ROS effectively matches the oxidation of hydroxyl and aldehyde groups, and thus, the overall reaction is boosted in excellent yield of diester (95.8%) with an extremely high carbon balance. This study represents a rare example of taking advantage of the synergy of the diatomic catalyst for activating O2 by two types of activation pathways.

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