Adsorption and activation of molecular oxygen over atomic copper(I/II) site on ceria

密度泛函理论 吸附 化学 金属 分子轨道 电泳剂 原子轨道 分子 结晶学 无机化学 物理化学 催化作用 计算化学 电子 物理 量子力学 生物化学 有机化学
作者
Liqun Kang,Bolun Wang,Qiming Bing,Michal Zalibera,Robert Büchel,Ruoyu Xu,Qiming Wang,Yiyun Liu,Diego Gianolio,Chiu C. Tang,Emma K. Gibson,Mohsen Danaie,Christopher S. Allen,Ke Wu,Sushila Marlow,Ling‐Dong Sun,Qian He,Shaoliang Guan,Anton Savitsky,Juan‐Jesús Velasco‐Vélez,June Callison,Christopher W. M. Kay,Sotiris E. Pratsinis,Wolfgang Lubitz,Jing‐yao Liu,Feng Ryan Wang
出处
期刊:Nature Communications [Springer Nature]
卷期号:11 (1) 被引量:107
标识
DOI:10.1038/s41467-020-17852-8
摘要

Abstract Supported atomic metal sites have discrete molecular orbitals. Precise control over the energies of these sites is key to achieving novel reaction pathways with superior selectivity. Here, we achieve selective oxygen (O 2 ) activation by utilising a framework of cerium (Ce) cations to reduce the energy of 3 d orbitals of isolated copper (Cu) sites. Operando X-ray absorption spectroscopy, electron paramagnetic resonance and density-functional theory simulations are used to demonstrate that a [Cu(I)O 2 ] 3− site selectively adsorbs molecular O 2 , forming a rarely reported electrophilic η 2 -O 2 species at 298 K. Assisted by neighbouring Ce(III) cations, η 2 -O 2 is finally reduced to two O 2− , that create two Cu–O–Ce oxo-bridges at 453 K. The isolated Cu(I)/(II) sites are ten times more active in CO oxidation than CuO clusters, showing a turnover frequency of 0.028 ± 0.003 s −1 at 373 K and 0.01 bar P CO . The unique electronic structure of [Cu(I)O 2 ] 3− site suggests its potential in selective oxidation.

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