Neighboring sp-Hybridized Carbon Participated Molecular Oxygen Activation on the Interface of Sub-nanocluster CuO/Graphdiyne

化学 催化作用 石墨烯 氧气 活化能 离解(化学) 碳纤维 吸附 傅里叶变换红外光谱 分子 物理化学 化学工程 光化学 纳米技术 有机化学 材料科学 复合数 工程类 复合材料
作者
Chuanqi Pan,Chenyang Wang,Xinya Zhao,Peiyan Xu,Feihong Mao,Ji Yang,Yuhua Zhu,Ruohan Yu,Shiyi Xiao,Yarong Fang,Hongtao Deng,Zhu Luo,Jinsong Wu,Junbo Li,Shoujie Liu,Shengqiang Xiao,Lizhi Zhang,Yanbing Guo
出处
期刊:Journal of the American Chemical Society [American Chemical Society]
卷期号:144 (11): 4942-4951 被引量:101
标识
DOI:10.1021/jacs.1c12772
摘要

Activation of O2 is a crucial step in oxidation processes. Here, the concept of sp-hybridized C≡C triple bonds as an electron donor is adopted to develop highly active and stable catalysts for molecular oxygen activation. We demonstrate that the neighboring sp-hybridized C and Cu sites on the interface of the sub-nanocluster CuO/graphdiyne are the key structures to effectively modulate the O2 activation process in the bridging adsorption mode. The as-prepared sub-nanocluster CuO/graphdiyne catalyst exhibited the highest CO oxidation activity and readily converted 50% CO at around 133 °C, which is 34 and 94 °C lower than that for CuO/graphene and CuO/active carbon catalysts, respectively. In situ diffused reflectance infrared Fourier transform spectroscopy and density functional theory calculation results proved that the neighboring sp-hybridized C is more favorable to promote the rapid dissociation of carbonate than sp2-hybridized C without overcoming any energy barrier. The gaseous CO directly reacts with the active molecular oxygen and tends to proceed through the E-R mechanism with a relatively low energy barrier (0.20 eV). This work revealed that sp-hybridized C of graphdiyne-based materials could effectively improve the O2 activation efficiency, which could facilitate the low-temperature oxidation processes.
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