Nondissociative Activated Dihydrogen Binding on CeO2 Revealed by High-Pressure Operando Solid-State NMR Spectroscopy

化学 催化作用 二氢络合物 核磁共振波谱 固态核磁共振 多相催化 物理化学 计算化学 光化学 有机化学 核磁共振 氢化物 物理
作者
Xinlong Yao,Yi Ji,Zheng‐Qing Huang,Zhenchao Zhao,Pan Gao,Meiling Guo,Xuebin Liu,Caixia Meng,Qiang Fu,Chun‐Ran Chang,Xinhe Bao,Guangjin Hou
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:146 (35): 24609-24618 被引量:7
标识
DOI:10.1021/jacs.4c08258
摘要

Dihydrogen complexes, which retain the H–H bond, have been extensively studied in molecular science and found to be prevalent in homogeneous and enzymatic catalysis. However, their counterparts in heterogeneous catalysis, specifically nondissociative chemisorbed dihydrogen binding on the catalyst surface, are rarely reported experimentally. This scarcity is due to the complexity of typical material surfaces and the lack of effective characterization techniques to prove and distinguish various dihydrogen binding modes. Herein, using high-pressure operando solid-state NMR technology, we report the first unambiguous experimental observation of activated dihydrogen binding on a reduced ceria catalyst through interactions with surface oxygen vacancies. By employing versatile NMR structural and dynamical analysis methods, we establish a proportional relationship between the degree of ceria surface reduction and dihydrogen binding, as evidenced by NMR observations of H-D through-bond coupling (JHD), T1 relaxation, and proton isotropic chemical shifts. In situ NMR analysis further reveals the participation of bound dihydrogen species in a room-temperature ethylene hydrogenation reaction. The remarkable similarities between surface-activated dihydrogen in heterogeneous catalysis and dihydrogen model molecular complexes can provide valuable insights into the hydrogenation mechanism for many other solid catalysts, potentially enhancing hydrogen utilization.
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