Improved Electronic Structure from Spin-State Reconstruction of a Heteronuclear Fe–Co Diatomic Pair to Boost the Fenton-like Reaction

异核分子 催化作用 电子结构 Atom(片上系统) 自旋态 光化学 化学 化学物理 计算化学 无机化学 分子 有机化学 计算机科学 嵌入式系统
作者
Zhendong Zhao,Mingzhu Hu,Tiantian Nie,Wenjun Zhou,Bingcai Pan,Baoshan Xing,Lizhong Zhu
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (11): 4556-4567 被引量:73
标识
DOI:10.1021/acs.est.2c09336
摘要

Dual-atom catalysts (DACs) are promising candidates for various catalytic reactions, including electrocatalysis, chemical synthesis, and environmental remediation. However, the high-activity origin and mechanism underlying intrinsic activity enhancement remain elusive, especially for the Fenton-like reaction. Herein, we systematically compared the catalytic performance of dual-atom FeCo–N/C with its single-atom counterparts by activating peroxymonosulfate (PMS) for pollutant abatement. The unusual spin-state reconstruction on FeCo–N/C is demonstrated to effectively improve the electronic structure of Fe and Co in the d orbital and enhance the PMS activation efficiency. Accordingly, the dual-atom FeCo–N/C with an intermediate-spin state remarkably boosts the Fenton-like reaction by almost 1 order of magnitude compared with low-spin Co–N/C and high-spin Fe–N/C. Moreover, the established dual-atom-activated PMS system also exhibits excellent stability and robust resistance against harsh conditions. Combined theoretical calculations reveal that unlike unitary Co atom or Fe atom transferring electrons to the PMS molecule, the Fe atom of FeCo–N/C provides extra electrons to the neighboring Co atom and positively shifts the d band of the Co center, thereby optimizing the PMS adsorption and decomposition into a unique high-valent FeIV–O–CoIV species via a low-energy barrier pathway. This work advances a conceptually novel mechanistic understanding of the enhanced catalytic activity of DACs in Fenton-like reactions and helps to expand the application of DACs in various catalytic reactions.
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