Cation Substitution Induced d‐Band Center Modulation on Cobalt‐Based Spinel Oxides for Catalytic Ozonation

催化作用 尖晶石 材料科学 氧化钴 吸附 空间速度 氧化物 氧气 过渡金属 拉曼光谱 金属 过氧化物 无机化学 化学 物理化学 选择性 有机化学 物理 光学 冶金
作者
Wei Qu,Zhuoyun Tang,Su Tang,Hailin Wen,Jingyun Fang,Qiyu Lian,Dong Shu,Chun He
出处
期刊:Advanced Functional Materials [Wiley]
卷期号:33 (44) 被引量:70
标识
DOI:10.1002/adfm.202301677
摘要

Abstract Co 3 O 4 spinel is a promising transition metal oxide (TMO) catalyst for the catalytic ozonation of volatile organic compounds (VOCs). Herein, metal–organic frameworks (MOFs)‐derived Ni‐ and Mg‐ substituted Co 3 O 4 catalysts retain similar spinel structures, but display improved and reduced ozonation performance of methyl mercaptan (CH 3 SH), respectively. Remarkably, the NiCo 2 O 4 catalyst can still ≈90% removal of CH 3 SH after running for 20 h at room temperature under an initial concentration of 50 ppm CH 3 SH and 40 ppm O 3 , relative humidity of 60%, and space velocity of 300 000 mL h −1 g −1 , exceeding the reported values. Experimental characterizations have unveiled that the substitution of Ni and Mg into the Co 3 O 4 spinel altered surface acidity, oxygen species mobility, and Co 2+ /Co 3+ ratio. The in situ Raman spectra reveal the dynamic formation Co(III)‐O ad * via the transformation of O 3 into surface atomic oxygen (O ad *) and peroxide species (O 2 *). Theoretical calculations verify that Ni‐substitution increases nonuniform charges and Fermi density, leading to a moderate increase in d‐band center energy levels, thereby promoting O 3 specific adsorption/activation to convert O ad */O 2 * and •OH/ 1 O 2 /•O 2 − , which contributes to eliminate CH 3 SH and prevent poisoning. The concept of tuning the d‐band center can provide valuable insights for the design of other catalysts for catalytic ozonation.
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