Defective Tungsten Oxide Hydrate Nanosheets for Boosting Aerobic Coupling of Amines: Synergistic Catalysis by Oxygen Vacancies and Brønsted Acid Sites

催化作用 氧化物 吸附 氧气 分子 化学 无机化学 激进的 水合物 协同催化 光化学 布朗斯特德-洛瑞酸碱理论 材料科学 有机化学
作者
Ning Zhang,Xiyu Li,Yifei Liu,Ran Long,Mengqiao Li,Shuangming Chen,Zeming Qi,Chengming Wang,Li Song,Jun Jiang,Yujie Xiong
出处
期刊:Small [Wiley]
卷期号:13 (31) 被引量:81
标识
DOI:10.1002/smll.201701354
摘要

Adsorption and activation of molecules on a surface holds the key to heterogeneous catalysis toward aerobic oxidative reactions. To achieve high catalytic activities, a catalyst surface should be rationally tailored to interact with both organic substrates and oxygen molecules. Here, a facile bottom-up approach to defective tungsten oxide hydrate (WO3 ·H2 O) nanosheets that contain both surface defects and lattice water is reported. The defective WO3 ·H2 O nanosheets exhibit excellent catalytic activity for aerobic coupling of amines to imines. The investigation indicates that the oxygen vacancies derived from surface defects supply coordinatively unsaturated sites to adsorb and activate oxygen molecules, producing superoxide radicals. More importantly, the Brønsted acid sites from lattice water can contribute to enhancing the adsorption and activation of alkaline amine molecules. The synergistic effect of oxygen vacancies and Brønsted acid sites eventually boosts the catalytic activity, which achieves a kinetic rate constant of 0.455 h-1 and a turnover frequency of 0.85 h-1 at 2 h, with the activation energy reduced to ≈35 kJ mol-1 . This work provides a different angle for metal oxide catalyst design by maneuvering subtle structural features, and highlights the importance of synergistic effects to heterogeneous catalysts.
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