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Cation Concavities Induced d-Band Electronic Modulation on Co/FeOx Nanostructure to Activate Molecular and Interfacial Oxygen for CO Oxidation

反键分子轨道 催化作用 氧气 化学 离域电子 离解(化学) 氧化钴 无机化学 结晶学 光化学 物理化学 电子 原子轨道 生物化学 物理 有机化学 量子力学
作者
Zhisong Liu,Haomiao Xu,Yurui Fan,Qinyuan Hong,Wenjun Huang,Feng Yu,Zan Qu,Naiqiang Yan
出处
期刊:Environmental Science & Technology [American Chemical Society]
卷期号:57 (50): 21272-21283 被引量:5
标识
DOI:10.1021/acs.est.3c06743
摘要

Cobalt-based catalysts have been identified for effective CO oxidation, but their activity is limited by molecular O2 and interfacial oxygen passivation at low temperatures. Optimization of the d-band structure of the cobalt center is an effective method to enhance the dissociation of oxygen species. Here, we developed a novel Co/FeOx catalyst based on selective cationic deposition to anchor Co cations at the defect site of FeOx, which exhibited superior intrinsic low-temperature activity (100%, 115 °C) compared to that of Pt/Co3O4 (100%, 140 °C) and La/Co2O3 (100%, 150 °C). In contrast to catalysts with oxygen defects, the cationic Fe defect in Co/FeOx showed an exceptional ability to accept electrons from the Co 3d orbital, resulting in significant electron delocalization at the Co sites. The Co/FeOx catalyst exhibited a remarkable turnover frequency of 178.6 per Co site per second, which is 2.3 times higher than that of most previously reported Co-based catalysts. The d-band center is shifted upward by electron redistribution effects, which promotes the breaking of the antibonding orbital *π of the O═O bond. In addition, the controllable regulation of the Fe-Ov-Co oxygen defect sites enlarges the Fe-O bond from 1.97 to 2.02 Å to activate the lattice oxygen. Moreover, compared to CoxFe3-xO4, Co/FeOx has a lower energy barrier for CO oxidation, which significantly accelerates the rate-determining step, *COO formation. This study demonstrates the feasibility of modulating the d-band structure to enhance O2 molecular and interfacial lattice oxygen activation.

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