Benzene abatement catalyzed by Ceria-Supported platinum nanoparticles and single atoms

催化作用 化学 原子轨道 铂金 光化学 纳米颗粒 纳米技术 材料科学 有机化学 物理 量子力学 电子
作者
Jing Liu,Xue Fang,Daoqing Liu,Xiaolei Hu,Tian Qin,Junxiao Chen,Rui Liu,Dongrun Xu,Weiye Qu,Yangyang Dong,Liwei Chen,Zhen Ma,Xi Liu,Xianwei Li,Xingfu Tang
出处
期刊:Chemical Engineering Journal [Elsevier BV]
卷期号:467: 143407-143407 被引量:14
标识
DOI:10.1016/j.cej.2023.143407
摘要

Heterogeneous catalysis is one promising technology to abate benzene at relatively low temperatures, but it remains challenging to develop efficient catalysts owing to the difficulties in activating inert benzene molecules and cleaving the strong double bonds of O2. We present the importance of frontier band orbitals in catalyst design for benzene oxidation by correlating electronic structures with catalytic activities over ceria-supported platinum nanoparticles (Ptn/CeO2) or single atoms (Pt1/CeO2). Catalytic tests demonstrate that Ptn/CeO2 shows much higher catalytic activity and lower activation energy than Pt1/CeO2 under identical conditions. By combining the experimental results and theoretical calculations, we reveal that the high activity of Ptn/CeO2 mainly originates from the energy level of the frontier band orbitals, where the lowest unoccupied and the highest occupied band orbitals are energetically favorable for activating benzene and O2, respectively, thus rendering the temperatures required for complete oxidation of benzene significantly lower. Similar trends in activity are found in high-temperature combustion of CH4 and low-temperature oxidation of CO, implicating the universal importance of the energy levels of frontier band orbitals in catalytic oxidation. This work provides a strategy to rationally design high-performance catalysts that can efficiently abate pollutants for environmental protection.

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