Insight into the effects of oxygen vacancy on the toluene oxidation over α-MnO2 catalyst

催化作用 甲苯 氧化还原 化学 反键分子轨道 氧气 密度泛函理论 催化氧化 无机化学 光化学 化学工程 计算化学 有机化学 原子轨道 物理 工程类 电子 量子力学
作者
Jia Zeng,Hongmei Xie,Hanyi Zhang,Min Huang,Xuecheng Liu,Guilin Zhou,Yi Jiang
出处
期刊:Chemosphere [Elsevier]
卷期号:291: 132890-132890 被引量:31
标识
DOI:10.1016/j.chemosphere.2021.132890
摘要

In order to clarify the role of oxygen vacancy (OV), five α-MnO2 catalysts with abundant OVs are fabricated via a novel and facile redox-precipitation approach and employed to the toluene oxidation in air. The concentration of OVs in α-MnO2 catalysts is regulated via the alkyl chain length of alcohols, and its correlation with catalytic performances is scientifically investigated based on various characterization technologies and density functional theory (DFT) calculation. The α-MnO2-C2 catalyst exhibits excellent catalytic activity (T90 = 217 °C), stability, and water resistance for toluene oxidation in air. The OVs can induce the new bandgap states (BGS), which upshift the antibonding orbitals relative to the Fermi level (Ef), eventually favoring the formation of adsorbed active oxygen species. Furthermore, the OVs cause an increase in the amount of Mn3+, resulting in the elongated Mn-O bonds due to the strong Jahn-Teller effect of Mn3+. Therefore, the synergistic effects of OVs benefit toluene oxidation through L-H and MvK mechanisms over the prepared α-MnO2-Cx catalysts. This work reveals the important role of OVs in the promotion of toluene catalytic oxidation activity and also may provide new insights for the design of high-performance VOCs oxidation elimination catalyst.
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